[发明专利]一种石墨烯纤维及其制备方法

说明书

本发明型公开了一种石墨烯纤维，它是呈网状的高质量石墨烯纤维。同时公开了一种新的合成多孔宏观石墨烯纤维方法，包括：（1）通过静电纺丝使得前驱体PAN（聚丙烯腈）在铜箔上收集。（2）在通过CVD的方法制备石墨烯纳米纤维。（3）将沾有乙醇的石墨烯纳米纤维在去离子水中卷成宏观石墨烯纤维。本发明所用原料易得，技术成熟，成本较低，制备周期短，操作过程简单易控，制得的石墨烯纤维具有优异的纯度，较好的机械性能和较高的柔性及导电性。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯纤维及其制备方法。

背景技术

石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”而共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，相关研究论文急剧增加，作为形成纳米尺寸晶体管和电路的“后硅时代”的新潜力材料，旨在应用石墨烯的研发也在全球范围内急剧增加，美国、韩国，中国等国家的研究尤其活跃。石墨烯或将成为可实现高速晶体管、高灵敏度传感器、激光器、触摸面板、蓄电池及高效太阳能电池等多种新一代器件的核心材料。

至今为止，已发现石墨烯具有非凡的物理及电学性质，如高比表面积、高导电性、机械强度高、易于修饰等。石墨烯是零带隙半导体，有着独特的载流子特性，为相对论力学现象的研究提供了一条重要途径；电子在石墨烯中传输的阻力很小，在亚微米距离移动时没有散射，具有很好的电子传输性质；石墨烯韧性好，有实验表明，它们每100nm 距离上承受的最大压力可达2.9 N，是迄今为止发现的力学性能最好的材料之一。

石墨烯特有的能带结构使空穴和电子相互分离，导致了新电子传导现象的产生，如量子干涉效应、不规则量子霍尔效应等。Novoselov等观察到石墨烯具有室温量子霍耳效应，使原有的温度范围扩大了10倍。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：以静电纺丝技术为前提，通过CVD法进行制备，获得的石墨烯纤维具有优异的纯度，较好的机械性能和较高的柔性及导电性，该制备方法步骤简单，对实验条件要求不高。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：以静电纺丝技术为前提，通过CVD法制备石墨烯纤维的方法。所述的方法制备的石墨烯纤维，其特征在于：纯度高，机械性能好，柔性及导电性好。

本发明提供了一种石墨烯纤维的制备方法，包括以下步骤：步骤S1，通过静电纺丝使得前驱体PAN（聚丙烯腈）在铜箔上收集；步骤S2，在通过CVD的方法制备石墨烯纳米纤维。调整温度和时间的变化规律，通过CVD法制备石墨烯；步骤S3，将沾有乙醇的石墨烯纳米纤维在去离子水中卷成宏观石墨烯纤维。

进一步，所述的石墨烯纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，取2.1 g聚丙烯腈PAN加入15 ml N,N-二甲基甲酰胺，并将该混合液95 ℃下，水浴搅拌3小时。之后将该混合液在室温下搅拌12小时得到PAN/DMF静电纺丝液，洗好的铜箔固定在静电纺丝机的滚轮上，调节滚轮转速到1000转/分，推液速度为40微升/分，正高压为20KV在铜箔上得到PAN纳米纤维前驱体，之后放入真空干燥箱保持温度50℃时间12小时使PAN纳米纤维充分固化。

进一步，所述的石墨烯的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，固化好的PAN纳米纤维（铜箔为衬底）作为碳前驱体，放入石英舟中，置入CVD管式炉的恒温区域，通入2%的氢气和氩气的混合气，气流量控制在400 sccm，在常压CVD下，生长温度控制在1000 ℃，生长时间3-5分钟，在铜箔上得到石墨烯纳米纤维。