[发明专利]石墨烯制造工艺

说明书

还原石墨烯的工艺的制备工艺，其包括如下步骤：提供插入有含氧基团的可膨胀石墨；将所述可膨胀石墨在足以导致所述可膨胀石墨膨胀和包括含氧基团的膨胀石墨形成的条件下加热；和使所述膨胀石墨与一氧化碳接触以还原所述含氧基团的至少一部分和形成包括还原石墨烯阵列的还原的膨胀石墨。本发明工艺能够制造大量的高品质石墨烯。

技术领域

本发明总体上涉及用于制造石墨烯的工艺。具体地，本发明涉及用于制备高品质的还原石墨烯的工艺。本发明还涉及通过所述工艺制备的还原石墨烯以及包含所述还原石墨烯的产品。

背景技术

石墨烯是以六边形蜂窝状晶格图案排列的碳原子的二维、一个原子厚的片的形式的材料。石墨烯对于在许多应用中例如在柔性电子器件、半导体中和作为先进材料中的加强剂的用途越来越让人感兴趣，因为石墨烯具有许多独特且合意的性质，包括是透明的、坚固的、轻质的、并且是热和电的优异导体。

目前，许多方法可用于制造石墨烯，包括例如，石墨的微机械剥离、SiC热分解、化学气相沉积(CVD)和外延生长，其各自具有多种优点和缺点。例如，“自下而上(bottom up)”的石墨烯制造方法例如CVD是耗时并且昂贵的，并且仅产生少量的单层或几层的石墨烯。结果，这样的方法不适合于生成大量的石墨烯并且不可能是在商业规模上可行的。此外，“自上而下(top down”的石墨烯制造方法例如化学氧化可导致包含显著比例的氧化物基团和缺陷的石墨烯，这可对石墨烯的电子、光学和机械性质具有有害影响。而且，自上而下的制造方法可为缓慢的、昂贵的和危险的。

仍对于能够制造大量的高品质石墨烯的制造工艺存在需要。

在本说明书中仅出于提供本发明的上下文的目的而包括文献、动作、材料、装置、制品等的讨论。不暗示或者表示，任意或者全部的这些事件由于其在本申请各权利要求的优先权日之前存在而形成了现有技术基础的部分或者是与本发明相关的领域中的公知常识。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供用于制备还原石墨烯的工艺，其包括如下步骤：

提供插入有含氧基团的可膨胀石墨；

将所述可膨胀石墨在足以导致所述可膨胀石墨膨胀和包括含氧基团的膨胀石墨形成的条件下加热；和

使所述膨胀石墨与一氧化碳接触以还原所述含氧基团的至少一部分和形成包括还原石墨烯阵列的还原的膨胀石墨。

在一组实施方式中，将所述膨胀石墨在与一氧化碳接触期间加热。在一些实施方式中，将所述膨胀石墨在与一氧化碳接触期间在至少80℃的温度下加热。在一些示例性实施方式中，将所述膨胀石墨在与一氧化碳接触期间于在约80-1800℃范围内、优选地在约500-1000℃范围内、更优选地在约800-900℃范围内的温度下加热。

在本发明的实施方式中，可使所述膨胀石墨与一氧化碳接触至少1分钟的时间段。在一些实施方式中，可使所述膨胀石墨与一氧化碳接触至少30分钟的时间段。在一种形式中，可使所述膨胀石墨与一氧化碳接触在1-24小时范围内、或者在约6-12小时范围内的时间段。

为了还原所述含氧基团，可使所述膨胀石墨与包括约1％-100％一氧化碳、更优选地至少5％一氧化碳例如5％-50％一氧化碳的气体接触。在一些实施方式中，可使所述膨胀石墨与包括与惰性气体例如氩气或氮气预混合的一氧化碳的气体接触。

根据本发明工艺的一组实施方式，可将所述插入有含氧基团的可膨胀石墨在至少150℃的温度下加热。在一些优选的实施方式中，可将所述插入有含氧基团的可膨胀石墨于在约200-约1800℃的范围内的温度下、更优选地于在约500-1200℃范围内的温度下和最优选地于在约700-1100℃范围内的温度下加热。

可将所述插入有含氧基团的可膨胀石墨加热在约0.1秒-2分钟范围内的时间段。对所述可膨胀石墨加热可导致所述可膨胀石墨快速热膨胀，使得仅需要加热相对短的时间。