[發明專利]一種制備高質量石墨烯的方法

有效

• 申請號: 201010291891.2
• 申請日: 2010-09-26
• 公開（公告）號: CN102408107A
• 公開（公告）日: 2012-04-11
• 發明（設計）人: 黃富強;林天全
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種高質量石墨烯制備方法，屬于材料化學制備技術領域。

背景技術

石墨烯(graphene)是由碳原子構成的以苯環為基本單元的具有二維蜂窩狀結構的單原子層材料，是構建其它維度碳質材料(如零維富勒烯、一維碳納米管和三維石墨)的基本單元。石墨烯具有優異的電學、熱學和力學性能，例如，石墨烯具有10倍于商用硅片的高載流子遷移率(達15000cm²V^-1s^-1)，并且載流子表現出明顯的雙極場效應特性和室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性，極高和連續可調的載流子濃度(可達10¹³cm^-2)；石墨烯的強度可達130GPa，是鋼的100多倍；石墨烯的熱導率可達5000W/m·K，是室溫下純金剛石的3倍；石墨烯對近紅外、可見光及紫外光均具有優異的透過性等等。因此，石墨烯可望在高性能納電子器件、復合材料、場發射材料、顯示器件、氣體傳感器及能量存儲等領域獲得廣泛應用。由于其獨特的二維結構和優異的晶體學質量，石墨烯蘊含了豐富而新奇的物理現象，因此，石墨烯迅速成為化學、材料科學和凝聚態物理領域近年來的研究熱點。

目前，石墨烯的應用主要涉及物理和化學兩個領域，物理研究主要集中在電子特性和機械特性，化學研究主要有制備、表面和化學修飾。而石墨烯的大規模應用亟需實現大規模、可重復地制備平整、均勻、厚度和尺寸可控的高質量石墨烯材料。Geim等人最初采用“微機械力分裂法”，即通過機械力從石墨晶體表面剝離石墨烯片層并轉移到氧化硅等載體表面上。雖然這種方法可以制備微米大小的石墨烯，但是其可控性差，產量低。通過加熱SiC(0001)單晶表面外延生長石墨烯結構，這種擔載的石墨烯可以通過光刻過程直接做成電子器件。但是由于SiC晶體表面在高溫加熱過程中表面容易發生重構，導致表面結構較為復雜，難以獲得大面積、厚度均一的石墨烯。化學氣相沉積法(CVD)是以金屬單晶或多晶金屬薄膜為襯底，在其表面上暴露并高溫分解含碳化合物可以生成石墨烯結構，但是生長石墨烯的金屬襯底難除去。目前制備石墨烯應用最多的是化學剝離法，即通過強氧化劑把石墨氧化，形成氧化石墨烯，而后再用強的還原劑將氧化石墨烯還原成石墨烯。化學剝離的過程中所使用的強氧化劑，會破壞石墨烯平面的碳骨架，產生缺陷，導致所得的石墨烯導電性能下降。因此，如何簡單可控宏量的制備高質量的石墨烯是目前研究的一大難點和熱點。

發明內容

本發明的目的在于提供一種可以宏量制備高質量石墨烯的方法。發明的基本思路是：利用活潑金屬和無水乙醇或低碳鹵代烴反應生成新生態的碳，新生態的碳重構成石墨烯。與傳統的化學剝離法制備石墨烯方法相比，本發明得到的石墨烯缺陷少、導電性好，且操作簡單、步驟少、制備成本很低，可以宏量制備。

本發明以活潑金屬鋰、鉀、鈉、鎂、鈣、鍶、鋇、鑭等中的一種或幾種的組合，低碳鹵代烴為三氯甲烷、四氯化碳、四溴化碳、六氯苯、六氯乙烷、七氯丙烷及無水乙醇中的一種或幾種組合原料，在惰性氣氛保護下，采用溶劑熱合成石墨烯。下面詳細描述本發明。

a)石墨烯的合成

活潑金屬鋰、鈉、鉀、鎂、鈣、鍶、鋇、鑭中的一種或幾種的組合和低碳鹵代烴四氯化碳、四溴化碳、三氯甲烷、六氯苯、六氯乙烷、七氯丙烷或無水乙醇中的一種或幾種組合為原料在惰性氣氛如氬氣、氮氣等中反應，反應時間為0.5-60小時，溫度為60-500℃，反應時間和溫度均根據金屬和碳源的種類有所不同，活潑金屬與碳源的摩爾比為0.5-6。

反應容器為能耐高壓的密閉反應釜，反應前要把反應釜擰緊，以防反應過程中涉及的氣體泄漏。

當金屬和鹵代烴接觸后應快速升溫(約60min之內)至所需溫度并保溫5-50h。

b)石墨烯的提純

當反應結束后，得到的石墨烯中含有未反應的鹵代烴以及產生的金屬鹵化物等副產物。因此，需要對得到的石墨烯提純。

①先往反應得到的混合物中加入大量的丙酮，并充分攪拌0.5-1h以使得丙酮充分溶解鹵代烴。所需丙酮的量根據反應過程中所加的鹵代烴的量而變化。

②過濾步驟①的混合液中得到濾餅，并用去離子水將濾餅洗出。

③往②中加入20-200mL的摩爾分數為10％-35％的鹽酸，加熱至60-80℃，充分攪拌。此處加入鹽酸的目的是為了更好的除去反應過程中的產生的堿金屬鹵化物。

④將混合液③過濾，并用大量的去離子水洗滌。

⑤真空干燥得到石墨烯樣品，真空干燥溫度為60-100℃，真空干燥時間6-10h。