[發(fā)明專利]配位組裝合成石墨烯的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910072450.0
• 申請(qǐng)日: 2009-07-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101618870A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-01-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 付宏剛;王蕾;田春貴;王寶麗;王瑞紅;楊軍;田國(guó)輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 黑龍江大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B31/02
• 分類號(hào): C01B31/02
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所
• 代理人: 韓末洙

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種石墨烯的合成方法。

背景技術(shù)

石墨烯是由碳原子緊密堆積成二維層狀晶格結(jié)構(gòu)的一種炭質(zhì)新材料。鑒于石墨烯極好的結(jié)晶性及電學(xué)和非凡的電子學(xué)、熱力學(xué)、力學(xué)性能以及其潛在的應(yīng)用價(jià)值，已有越來(lái)越多的學(xué)者參與到石墨烯的合成與性能的研究。

目前石墨烯的合成方法主要有：微機(jī)械分離法、取向生長(zhǎng)方法、熱解碳化硅(SiC)方法和化學(xué)分散法。

微機(jī)械剝離方法是直接從較大的高度定向石墨晶體(HOPG)上剝離下來(lái)，其尺寸不易控制，無(wú)法可靠地制造長(zhǎng)度足供應(yīng)用的石墨烯薄片，想得到長(zhǎng)度足供應(yīng)用的石墨烯薄片，需耗費(fèi)大量的原料，從而增加了生產(chǎn)成本。

取向附生法是利用生長(zhǎng)基質(zhì)原子結(jié)構(gòu)“種”出石墨烯，首先讓碳原子在1150℃下滲入釕，然后冷卻，冷卻到-850℃后，之前吸收的大量碳原子就會(huì)浮到釕表面，鏡片形狀的單層的碳原子“孤島”布滿了整個(gè)基質(zhì)表面，最終它們可長(zhǎng)成完整的一層石墨烯。第一層覆蓋80％后，第二層開(kāi)始生長(zhǎng)。底層的石墨烯會(huì)與釕產(chǎn)生強(qiáng)烈的交互作用，而第二層后就幾乎與釕完全分離，只剩下弱電耦合，得到的單層石墨烯薄片表現(xiàn)令人滿意。但采用這種方法生產(chǎn)的石墨烯薄片往往厚度不均勻，且石墨烯和基質(zhì)之間的黏合會(huì)影響碳層的特性。由于使用的基質(zhì)是稀有金屬釕，價(jià)格昂貴，增加生產(chǎn)成本高，產(chǎn)量較低。

熱解碳化硅是通過(guò)加熱單晶6H-SiC脫除Si，在單晶(0001)面上分解出石墨烯片層。具體過(guò)程是：將經(jīng)氧氣或氫氣刻蝕處理得到的樣品在高真空下通過(guò)電子轟擊加熱，除去氧化物。用俄歇電子能譜確定表面的氧化物完全被移除后，然后加熱使之溫度升高至1250～1450℃后恒溫1min～20min，從而形成極薄的石墨層。因石墨烯厚度由加熱溫度決定，很難制備大面積具有單一厚度的石墨烯，所述設(shè)備復(fù)雜并且反應(yīng)條件較苛刻，較難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

化學(xué)分散法是將氧化石墨與水以1mg/mL的比例混合，用超聲波振蕩至溶液清晰無(wú)顆粒狀物質(zhì)，加入適量肼在100℃回流24h，產(chǎn)生黑色顆粒狀沉淀，過(guò)濾、烘干即得石墨烯。Sasha?Stankovich等利用化學(xué)分散法制得厚度為1nm左右的石墨烯。肼毒性極毒，對(duì)眼睛有刺激作用，能引起延遲性發(fā)炎，對(duì)皮膚和粘膜也有強(qiáng)的腐蝕作用，生產(chǎn)安全性差。

綜上所述，現(xiàn)有石墨烯制備方法存在尺寸不易控制、生產(chǎn)安全性差、厚度不均勻、生產(chǎn)成本高、反應(yīng)所需設(shè)備復(fù)雜、反應(yīng)條件苛刻、產(chǎn)率低等問(wèn)題，從而難以工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有石墨烯制備方法存在尺寸不易控制、生產(chǎn)安全性差、厚度不均勻、生產(chǎn)成本高、反應(yīng)所需設(shè)備復(fù)雜、反應(yīng)條件苛刻、產(chǎn)量低等問(wèn)題，從而難以工業(yè)化生產(chǎn)；從而提供了配位組裝合成石墨烯的方法。

本發(fā)明配位組裝合成石墨烯的方法是由下述步驟完成的：一、采用超聲法、酸處理法或堿處理法對(duì)具有配位基團(tuán)的碳源進(jìn)行預(yù)處理；二、將具有配位基團(tuán)的碳源加入到溶劑中，具有配位基團(tuán)的碳源與溶劑的質(zhì)量比為1∶2～100，然后在120℃條件下熱處理2～8h，再在溫度為40～90℃、攪拌速度為100～350r/min條件下加入催化劑，然后攪拌4～24h，其中具有配位基團(tuán)的碳源與催化劑的質(zhì)量比為1∶0.05～2，所述溶劑為水、乙醇及乙二醇中的一種或其中幾種的混合；三、配位組裝：采用超聲法、水熱法或微波法對(duì)經(jīng)步驟二的生成物進(jìn)行處理；四、在溫度為200～400℃、惰性氣體保護(hù)下，將步驟三的生成物預(yù)碳化1～6h；五、以2～20℃/min的升溫速度由室溫升至550～1200℃，再在550～1200℃條件下熱處理預(yù)碳化生成物5min～8h，其中熱處理氣氛流量為20～1500mL/min，熱處理氣氛為惰性氣體；六、用酸回流法處理步驟五的生成物，再用蒸餾水洗滌至洗液的pH＝7，然后在90～120℃條件下烘干或者在60～80℃條件下真空干燥2～8h；即得到石墨烯。