[发明专利]一种石墨烯制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯制备方法，选择以气态或可气化的含碳物质为碳源，以可被电离成等离子体的气体作为载气，以具有还原性的气体作为添加剂，使用旋转进气的方式，以载气带动碳源通过等离子体区域进行裂解反应，碳源裂解后进入流化床装置，促进碳源进一步裂解和石墨烯成核、生长。通过旋风分离器分离石墨烯与尾气，进而得到石墨烯粉体；且尾气可以循环利用，用于预热碳源、载气和添加剂的混合气，再随混合气一起进入等离子体发生器，如此可以减少载气的使用量。本方法不需要任何苛刻的条件，不会产生任何废弃物，石墨烯在气相中快速生成，载气和部分未裂解的碳源可循环使用。

技术领域

本发明涉及石墨烯制备技术领域，具体涉及一种石墨烯制备方法。

背景技术

2004年英国曼彻斯特大学的Geim教授首次制备出稳定的石墨烯，推翻了静电的“热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下自由存在”的理论，从而引发了石墨烯的制备热潮。石墨烯是一种碳原子以sp²轨道杂化成键形成蜂窝状单原子层厚的二维材料。石墨烯是目前世界上最薄的材料，具有优异的性能，其室温下电子迁移率可达2×10⁵ cm²·V^-1·s^-1，热导率达5000 W·m^-1·K^-1，比表面积达2630 m²·g^-1，杨氏模量为1100 GPa，断裂强度达125 GPa。同时石墨烯具有完美的量子隧道效应、半整数量子霍尔效应、永不消失的电导率等一系列性质，因此引起了物理、化学、材料、生物、医药等诸多领域科学家们的极大研究兴趣。

石墨烯的制备方法主要有物理方法和化学方法，物理方法包括机械剥离法、液相剥离法。化学方法包括氧化还原法、化学气相沉积法、外延生长法以及自下而上合成法。

机械剥离法是最早用来合成石墨烯的方法，Geim利用光刻胶反复粘贴剥离高定向热解石墨，得到了单层石墨烯。这种方法可以制备高质量大尺寸的石墨烯，但是费时费力，难以精确控制，重复性差，难以大规模生产。

液相剥离法是将石墨或者膨化石墨放入某种液态溶剂中，借助超声波空化、高剪切的作用使得溶剂分子插入石墨的间层，形成层间距极大的石墨片，通过进一步剥离石墨片形成石墨烯。因为石墨廉价易得，制备过程中不涉及化学反应，这种方法具有成本低、操作简单、产品质量高等优点。但是石墨烯量少，片层团聚严重，需要进行分离、提纯、烘干等复杂的操作。

化学气象沉积法是将气态碳源，通常是甲烷，在相当高的温度、气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积到固态表面进而制备石墨烯的工艺。化学气象沉积法是大规模制备石墨烯薄膜的方法，可以制备高质量、大尺寸的石墨烯，但是成本高、工艺复杂、条件苛刻。

外延生长法是在高度真空条件下加热单晶SiC，将Si原子蒸发掉后C原子重排生成石墨烯的方法。这种方法制备的石墨烯质量高、尺寸大，但是单晶SiC价格昂贵，而且反应条件极其苛刻，无法大规模生产。

氧化还原法是目前最常用的制备石墨烯的方法。方法是利用强氧化剂氧化石墨或者膨化石墨制备氧化石墨，然后超声剥离制备氧化石墨烯，利用强还原剂将氧化石墨烯还原后形成石墨烯。这种方法可以大规模制备石墨烯粉体，但是工艺极其复杂，需要使用大量有毒、有害试剂，产生大量的污染，制备的石墨烯含有大量官能团，缺陷多。

为了减少氧化石墨烯制备的危险性，常州二维碳素科技股份有限公司公开了一种石墨烯的制备装置及其制备工艺设备（专利申请号为201410385305.9）。对于氧化石墨烯的制备，该发明公开此装置不需人工大量操作，节约时间，提高了工作效率，不用化学腐蚀。但该工艺流程和反应时间很长，投资也很高。