[发明专利]一种常压二段过程催化固体碳源合成石墨烯的方法

说明书

所属技术领域

本发明涉及碳纳米材料制备技术领域，特别涉及一种以固体碳源为前驱体，通过二段反应过程实现在常压下CVD法合成石墨烯的新技术。

背景技术

石墨烯是单层碳原子堆叠而成的二维蜂窝状结构的新型材料。自从2004年英国曼彻斯特大学的两位科学家Novoselov博士和Geim教授，利用机械剥离法在实验室中成功地分离出单独存在的高质量石墨烯(Novoselov K S,et al.science,2004,306,666.)，掀起了石墨烯的研究热潮，随着研究的不断深入，新的制备方法层出不穷，主要有微机械剥离法(Novoselov K S,et al.Science,2004,306,666.)，氧化还原法(Stankovich S,et al.Carbon,2007,45,1558.)，取向附生法(Berger C,et al.Science,2006,312,1191.)，有机合成(Yang XY,et al.J.Am.Chem.Soc.,2008,130,4216.)，化学气相沉积法(CVD)(Reina A,et al.Nano letters,2008,9,30.)等。

化学气相沉积法是目前石墨烯工业生产上最有前景的方法之一，过渡金属如Ni(Reina A,et al.Nano Lett.,2008,9,30；Kim K S,et al.Nature,2009,457,706.)、Co(Ago H,et al.ACS Nano.,2010,4,7407.)、Cu(Li X,et al.Science,2009,324,1312；Hu B S,et al.Carbon,2012,50,57.)以及一些贵金属如Pt(Gao L B,et al.Nat.Communications,2012,3,699.)等，都可以用于合成大面积的单层石墨烯。近些年，以气体碳源通过CVD法生长石墨烯的研究已经取得了很大的突破和进展，其中以甲烷(Bae S,et al.Nat.Nanotechol.,2010,5,574；Cui Y,et al.2012,5,352；Dai B,et al.Nat.Commun.,2011,2,522.)为代表的气体碳源合成石墨烯的制备技术已经很成熟。但是起初CVD合成石墨烯的技术仅限于气体原材料，不利于更多种类的潜在的原材料的应用以及该项技术的发展；更为重要的是，由于以气体为碳源制备石墨烯碳源的供给量不可控制，并且由于碳渗析过程受工艺参数的影响机制很复杂，而在CVD过程中石墨烯的层数要通过严格控制碳渗析过程的各个参数来实现。迄今为止，在CVD生长石墨烯的过程中，石墨烯层数的控制很难实现。而且，直接采用气体碳源很大程度上增加了生产的危险性。所以，人们一方面着重于对现有CVD方法生长石墨烯的技术进行改进和提高，另一方面，发展直接利用固体碳源来制备石墨烯。

到目前为止，不少固态碳源制备石墨烯的方法被报道，人们采用无定形碳(Zheng M,et al.Appl.Phys.Lett.,2010,96,063110；Julio A,et al.ACS Nano.,2011,5,1529.)，碳化硅(Hannon J B,et al.Phys.Rev.B,2008,77,241404；Emtsev K V,et al.Nat.Mater.,2009,8,203.)，聚合物(Li Z,et al.ACS Nano.,2011,5,3385；Sun Z Z,et al.Nature,2010,468,549.)等作为碳源，在真空或者低压条件下进行制备石墨烯，并且得到的石墨烯与使用气体碳源合成的石墨烯的结晶质量相当(Suzuki S,et al.Appl.Phys.Express,2011,4,065102；Ji H X,et al.ACS Nano.,2011,5,7656.)。但是大多数使用无定形碳作为碳源合成石墨烯的技术中，反应过程需要的高真空条件，对设备要求高，能耗较大，不适用于大规模的工业生产。无定形碳是一种常用的固态碳源，石墨烯的层数可以通过初始沉积的无定形碳膜的厚度来控制(Ji HX,et al.ACS Nano.,2011,5,7656.)，这为石墨烯的可控合成提供了基础。因此，采用无定形碳作为碳源，通过常压反应过程合成石墨烯是一种很有潜力的新方法。

因此，为了弥补现有技术的缺陷，迫切需要开发提供一种工艺要求低、精确可控的制备高质量的石墨烯的新方法。

发明内容