[发明专利]石墨烯以及石墨烯的制法

说明书

包含氢化石墨和脱氢石墨的组合物，所述氢化石墨和脱氢石墨包括多个片。10个片中至少1个的尺寸超过10平方微米。例如，所述片的平均厚度可为10个原子层或更小。

本申请是申请人于2016年9月30日提交的题为“石墨烯以及石墨烯的制法”的专利申请201680081657.2(基于PCT申请No.PCT/EP2016/073451)的分案申请。

优先权

本申请要求于2016年2月12日向德国专利商标局提交的第102016202202.4号德国专利申请的优先权。该申请的全文以参引的方式纳入本文。

背景技术

本公开涉及石墨烯以及石墨烯的制法，包括用于将石墨膨胀为石墨烯的设备和方法。

理想的石墨烯是单碳原子厚度的石墨层，无限大且无杂质。在现实生活中，石墨烯的尺寸是有限的且含有杂质。尽管存在这些不完善之处，实际的石墨烯的物理性能主要由sp2杂化碳原子呈现，sp2杂化碳原子由其他三个位于同一平面彼此呈120°角的碳原子围绕，由此接近无限大的片状纯碳。由于这种结构，石墨烯具有若干个极其非同寻常的物理性能，包括极高的弹性模量与重量之比，高导热性和高导电性，以及大且非线性的反磁性。由于这些非同寻常的物理性能，石墨烯可用在多个不同应用中，包括可用于制备导电涂层、印刷的电子产品、或用于太阳能电池、电容器和电池等的导电触点的导电油墨。

虽然理想的石墨烯仅包括单层碳原子，但包括多个碳原子层(例如多达10层，或多达6层)的石墨烯结构也可提供可匹敌的物理性能，并且能够有效地用在许多这些相同应用中。为了方便起见，单原子层石墨烯和具有可匹敌物理性能的多层结构本文均称为“石墨烯”。

有多种不同类型的石墨烯和其他碳质片状材料。现描述这些材料中的一些材料的基础特性。

化学蒸发沉积：化学蒸发沉积(chemical vapor deposition，CVD)可用于制备片尺寸大且缺陷密度低的石墨烯单层。一些情况下，CVD产生具有多层的石墨烯。一些情况下，CVD可产生具有肉眼可见的片尺寸(例如约1cm长)的石墨烯。

使用CVD制备石墨烯的实例可见于Science 342:6159,p.720-723(2013)；Science344:6181,p.286-289(2014)和Scientific Reports 3,Art.No.:2465(2013)中。根据Scientific Reports 3,Art.No.:2465(2013)的摘要，“石墨烯在过渡金属上的化学沉积已被视为石墨烯商业化的主要步骤。然而，基于过渡金属的制备方法涉及不可避免的转移步骤，该转移步骤与石墨烯本身的沉积一样复杂”。

天然石墨：石墨天然存在且可呈现为包括几十层至几千层的结晶片状形式。层通常呈有序的，即所谓的“AB堆叠”，其中每层有一半的原子精确地位于紧邻层中的六原子环中心的上方或下方。由于石墨片非常“厚”，因而其表现出与石墨烯的物理性能不同的物理性能，且这些物理性能中的多数涉及不同的应用。例如，石墨片在剪切中非常脆弱(即层可被机械分离)，且具有高度各向异性的电学性能、声学性能和热性能。由于相邻层之间的电子相互作用，石墨的导电性和导热性低于石墨烯的导电性和导热性。比表面积也低得多，如从平面几何程度更低的材料可预期的。此外，在常规的片厚度方面，石墨对于许多不同波长的电磁辐射是不透过的。一些情况下，石墨片可具有肉眼可见的片尺寸(例如1cm长)。

基于石墨的体系由拉曼光谱表征的实例可见于Phys.Chem.Chem.Phys.9,p.1276-1290(2007)中。