[发明专利]一种规模化低温热还原石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯生产领域，尤其涉及一种规模化低温热还原石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯是近十年发展起来的一种新型超高性能的的大尺寸二维材料，它由碳原子通过sp²杂化构成的单层蜂窝状二维网格结构。石墨烯的厚度只有0.334 nm , 是目前世界上已知的最薄的材料，也是构成石墨的基本单元，它可以自包裹起来形成零维的富勒烯，也可以自分装卷成一维的碳纳米管，以及层层堆积形成三维的石墨（Allen M J, Tung V C, Kaner R B. Honeycomb carbon: A review of graphene[J].Chemical Reviews, 2010, 110(1): 132-145. )。由于这种特殊的结构，石墨烯具有许多特殊的优异性能。其理论比表面积高达2630 m²/g，拥有超高的杨氏模量(~1100GPa)和断裂强度(125GPa)，以及优良的热传导性(~5000W/(m×k))和载流子传导率(2×10⁵cm²/v)，此外，石墨烯在电和磁学性能等方面也有很多其他的特性，如室温量子霍尔效应、双极性电场效应、铁磁性、超导性等。这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及复合材料等领域有广阔的应用前景(Geim A K, Novoselov K S. The rise of graphene [J]. Nature Materials,2007, 6(3): 183-191.)。

2004 年，Manchester的Geim小组（Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, eta.l Electric FieldEffect in Atomically Thin Carbon Films [J]. Science,2004,306:666-669.）首次用机械剥离法获得了单层或薄层的新型二维原子晶体。石墨烯的发现补充了碳材料家族从零维到三维碳材料的完整体系。对于石墨烯研究领域真正的挑战是生产高质量的石墨稀薄层，从而能够进行大规模应用（GEIM A K, NOVOSELOV K S. The rise of grapheme[J].Nat Mater, 2007, 6(3): 183-91.）。目前制备石墨烯的方法主要有机械剥离法、化学气相沉积、碳化硅热解法、碳纳米管切割法、化学氧化剥离再还原法、电化学剥离法等。

⑴机械剥离法：对高定向热解石墨经行预处理，用反复粘结胶带将石墨粘附并压实后慢慢撕开，然后再对折胶带，轻轻压实后慢慢撕下。对该过程反复操作直到胶带表面发现超薄透明斑点，即为多层石墨烯，局部可能会有单层石墨烯，然后再将胶带转移到超薄SiO₂硅片衬底上。这种方法由于未受化学腐蚀，制备得到的石墨烯有非常出色的本征性能，但其操作复杂，产率极低。近几年另有报道的机械剥石墨烯是将通用鳞片石墨混合粘结剂后放置三辊或者五辊研磨机中，通过滚轴间的挤压和滚轴分离时的剪切力实现石墨片的分离。该方法操作简单，可工业化，但得到的石墨烯受研磨机辊轴冲击的影响，很难得到大尺寸的石墨烯片，通常在几百纳米。