[发明专利]石墨烯纳米带、石墨烯纳米片及其混合物和合成方法

说明书

本文提供了具有高结构均匀性和低杂质水平的石墨烯纳米带及其合成方法。本文还提供了具有优异的结构均匀性和低杂质水平的石墨烯纳米片及其合成方法。本文进一步提供了具有良好结构均匀性和低杂质水平的石墨烯纳米带和石墨烯纳米片的混合物及其合成方法。该方法包括，例如，在恒定移动的衬底上沉积催化剂，在衬底上形成碳纳米管，从衬底分离碳纳米管，从表面收集碳纳米管的步骤，其中衬底连续和顺序移动通过沉积、形成、分离和收集步骤。进一步的处理步骤将合成的碳纳米管转化为石墨烯纳米带、石墨烯纳米片及其混合物。

相关申请的交叉引用

根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求2017年8月22日提交的美国临时申请序列第62/548,942号、2017年8月22日提交的美国临时申请序列第62/548,945号、2017年8月22日提交的美国临时申请序列第62/548,952号和2017年8月22日提交的美国临时申请序列第62/548,955号的优先权，其全部通过引用整体并入本文。

技术领域

本文提供了具有高结构均匀性和低杂质水平的石墨烯纳米带及其合成方法。本文还提供了具有优异的结构均匀性和低杂质水平的石墨烯纳米片及其合成方法。本文进一步提供了具有良好结构均匀性和低杂质水平的石墨烯纳米带和石墨烯纳米片的混合物及其合成方法。该方法包括，例如，在恒定移动的衬底上沉积催化剂，在衬底上形成碳纳米管，从衬底分离碳纳米管，从表面收集碳纳米管的步骤，其中衬底连续和顺序移动通过沉积、形成、分离和收集步骤。进一步的处理步骤将合成的碳纳米管转化为石墨烯纳米带、石墨烯纳米片及其混合物。

背景技术

石墨烯纳米带(GNR)是单层或数层公知的碳同素异形体石墨碳，其具有可以导致在电子装置、晶体管制造和油添加剂中应用的优异的电学和物理性质。GNR在结构上具有高的纵横比，其中长度比宽度或厚度长得多。

石墨烯纳米片(GNP)类似于GNR，除了长度在微米或亚微米范围内并且因此GNP缺乏GNR的高纵横比。GNP也具有碳纳米管(CNT)和GNR的许多有用性质。

GNR已经通过CVD并且使用化学方法由石墨制备。最典型的GNR是通过化学拉链断裂由CNT制备的，GNR的质量取决于CNT起始材料的纯度。

GNP典型地通过化学剥离、热冲击和剪切或在等离子体反应器中由石墨制备。然而，上述方法不能以高产率、良好纯度以及良好的宽度和长度控制提供GNR和GNP。

最近，出现了许多以良好产率和高纯度将碳纳米管转化为GNR的方法(Hirsch，Angew Chem.Int.Ed.2009,48,2694)。用于制备GNR的上述方法中的一些方法的更极端的条件可以导致由GNR合成GNP。然而，碳纳米管以及由这些CNT产生的GNR和GNP的纯度和均匀性由CNT的制造方法决定。

目前的CNT制造方法典型地产生包括大量杂质(诸如例如，金属催化剂和无定形碳)的CNT。在CNT合成之后通常需要纯化步骤，其是流动反应器方法以提供不被大量金属催化剂和无定形碳污染的碳纳米管。CNT纯化步骤需要大型且昂贵的化学设备，这使得生产大量纯度大于90％的CNT极其昂贵。此外，本CNT制造方法产生具有低结构均匀性的CNT(即，可变长度的CNT)。

因此，需要提供具有高结构均匀性和纯度的高质量和廉价GNR和GNP的新方法。这些方法涉及制备具有高结构均匀性和纯度的CNT，然后可以将其转化为具有高结构均匀性和纯度的GNR和GNP。

发明内容

本发明通过在一个方面提供合成石墨烯纳米带的方法满足了这些和其他需要。在一些实施例中，该方法包括在恒定移动的衬底上沉积催化剂，在衬底上形成碳纳米管，从衬底分离碳纳米管，收集碳纳米管以及将碳纳米管转化为石墨烯纳米带的步骤，其中衬底顺序移动通过沉积、形成、分离步骤和收集步骤。

在另一方面，提供了具有均匀长度和大于95％纯度的石墨烯纳米带。