[发明专利]一种石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯制备技术领域，具体涉及一种含碳有机物转化非气相生长石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是由碳原子按六边形蜂窝状排列的单层二维晶体结构，是构成零维富勒烯、一维碳纳米管和三维石墨等碳质材料的基元单位。自从2004年英国曼切斯特大学的两位科学家Andre K.Geim和Konstantin S.Novoselov利用简单胶带剥离的方法成功制备出了单层石墨烯以来，这种二维晶体便成为材料科学研究领域中的热点，引起全世界科研人员的极大关注。由于在石墨烯制备领域做出的突出贡献，上述两位科学家被授予2010年诺贝尔物理学奖。由于具有超薄的厚度，2D石墨烯表现出了独特的sp²杂化电子结构，带来了新奇的宏观物理化学特性，例如高的比表面积、良好的载流子迁移率和量子霍尔效应，使之广泛应用在光、电领域，包括锂离子电池、超级电容器、太阳能电池、燃料电池、气体传感器、LED显示屏、场效应晶体管、分子荧光探针和催化剂载体等器件设备。2D材料的特异性能取决于其平面厚度，目前根据sp²杂化碳原子层数的多少可以将石墨烯材料分为单层、双层和少层石墨烯，其中少层石墨烯的碳原子层数为3到10层，研究表明当碳原子层数超过10层后就失去了很多石墨烯特性，因而如何制备层数可控的2D石墨烯就成为目前材料物理化学研究的一个前沿课题。开发一种廉价简单绿色规模化可控制备高质量石墨烯的成熟工艺就成为石墨烯材料完全市场化亟待解决的问题之一，也是目前国内外科研攻关的重中之重。

目前制备石墨烯的方法还主要停留在剥离和高温生长两种方式上，其中剥离法主要有微机械剥离和化学剥离，而高温生长主要包含化学气相沉积(CVD)和SiC升华法。微机械剥离是最早用来成功分离出单层石墨烯的方法，主要是借助粘性胶带与石墨片层之间的物理结合力进行剥离，优点是简单容易行，缺点是产量较小，仅能满足基础特性研究。化学剥离法是借助特定的原子或分子团簇插层到石墨层间，扩张石墨层间距，弱化石墨片层之间的范德华力，然后在溶剂中借助外力如超声波进行剥离，再去除插层基团，经后处理如还原后得到石墨烯，该方法产量较大，已成为目前石墨烯制备和应用的主要手段，能够基本满足工业化应用要求，但其合成过程具有不可控制的缺点，产物厚度分布极不均匀，尽管利用化学还原和高温热处理能够去除大部分引入的插层基团，但仍不能保持石墨烯共轭结构的完整性。高温生长法能够制备层数可控大面积的石墨烯，是目前制备高质量石墨烯的主流方法。CVD法主要是在高温下(≥1300℃)热解小分子碳氢化合物产生气态的含碳游离基在金属基体表面发生碳-碳共轭化定向生长石墨烯，可以分为以Ru、Cu或Pt为基体的催化生长及以Ni为基体的溶解析出生长过程，虽然制备工艺相当成熟，生长机理研究的很透彻，但该方法产量较小，高度依赖金属生长基体，制备过程复杂，运行成本高，仅能满足某些微电子器件应用要求。SiC升华法能够克服CVD法产量少的缺点，但是常压条件下SiC升华温度很高，实际操作是在高温(≥1500℃)、超高真空条件下完成的，需要特殊的仪器设备，常规设备无法完成，制备成本较高，无法满足工业化生产。且目前的高温生长过程都需要经历气相过程，石墨烯的生长都是基于气态含碳游离基的重构化反应完成的，涉及到含碳前驱体化学键的断裂和气化，需要的能量较高，制备成本都很高。

高温生长能合成出高质量的石墨烯，但所需生长温度较高，借助催化剂可以降低实际生长温度，常用的催化剂主要是贵金属Ru和Pt等，但大都造价高昂增加合成成本。研究表明选择合适的反应介质能够加剧反应元素的热运动降低本征反应势垒进而减小反应温度。相比较而言，利用廉价常规反应介质，在相对较低的温度下，经过非气相过程直接生长石墨烯是比较具有前景的方法，特别适合工业化开发应用。同时据申请人所知，至今为止未见报道以无机盐为反应介质利用含碳有机物转化非气相生长石墨烯的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对以上现有技术状况，提供一种简单高效节能大量制备高质量石墨烯的合成方法。

本发明的技术方案是：一种石墨烯的制备方法，以无机盐作为反应介质，在高温惰性气氛中，通过调控加热速率、保温时间和原料配比等，利用含碳有机物直接转化非气相生长可控合成得到大面积高质量石墨烯材料。