[發明專利]一種石墨烯的制備方法

無效

• 申請號: 201110390618.X
• 申請日: 2011-11-30
• 公開（公告）號: CN103130212A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發明（設計）人: 李根法;李汶軍
• 申請（專利權）人: 李汶軍;李根法
• 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

本發明涉及一種石墨烯的制備方法，特別是以碳化硅為原料制備石墨烯的方法，本發明屬于無機材料化學領域。

背景技術

石墨烯是一種由sp²雜化的碳原子構成的單層二維蜂窩狀石墨晶體，其理論厚度僅為0.35nm，是目前所發現的最薄的二維材料。這種特殊結構蘊含了豐富而奇特的物理現象，使石墨烯表現出許多優異的物理化學性質，如石墨烯的強度是已測試材料中最高的，達130GPa，是鋼的100多倍；其載流子遷移率達1.5×10⁴cm²·V^-1·s^-1，是目前已知的具有最高遷移率的銻化銦材料的2倍，超過商用硅片遷移率的10倍；其熱導率可達5×10³W·m^-1·K^-1，是金剛石的3倍；另外，石墨烯還具有室溫量子霍爾效應(Hall?effect)及室溫鐵磁性等特殊性質。石墨烯的這些優異特性使其在復合材料、電池、超級電容器、傳感器等方面有廣闊的應用前景。

目前制備石墨烯的方法可以分為膠帶剝離法、氧化石墨還原法、溶劑剝離法、碳化硅外延法、化學氣相沉積法等。膠帶剝離法可以制備出高質量的石墨烯，但此方法制備的石墨烯面積小于1毫米×1毫米。碳化硅外延法制得的石墨烯，雖然面積大且均勻，但此方法制得的石墨烯質量還有待提高。溶劑剝離法是最近兩年才提出的，它的原理是將少量的石墨分散于溶劑中，形成低濃度的分散液，利用超聲波的作用破壞石墨層間的范德華力，此時溶劑可以插入石墨層間，進行層層剝離，制備出石墨烯。這種方法簡單、直接而且得到的石墨烯幾乎不存在缺陷，可以制備高質量的石墨烯，不像氧化還原法那樣破壞石墨烯的結構，為其在微電子學、多功能復合材料等領域的應用提供了廣闊的應用前景。實驗表明采用溶劑剝離法制得的石墨烯濃度和產量強烈的依賴于所選擇溶劑的性質。該溶劑的表面能應該與石墨烯的表面能相匹配，從而能夠提供足夠的溶劑-石墨烯相互作用以平衡剝離石墨的片層結構所消耗的能量。劍橋大學Hernandez等發現適合剝離石墨的溶劑最佳表面張力應該在40～50mJ/m²，并且使用N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基乙酰胺、γ--丁內酯及1，3-二甲基-2-咪唑啉酮等有機溶劑為剝離溶劑實現了對石墨的剝離。Lotya等則采用十二烷基苯磺酸鈉表面活性劑的水溶液作為剝離溶液實現了石墨烯的制備，產率約為3％。Wang等發現以離子液體如1-丁基-3-甲基-咪唑雙三氟甲烷磺酰亞胺([Bm?im][Tf₂N])及1-丁基-1-甲基-吡咯烷基雙三氟甲烷磺酰亞胺([C4mpy][Tf₂N])為剝離溶劑可得到濃度達0.95mg/mL的石墨烯分散液。此外，Khan等發現以N-甲基吡咯烷酮為溶劑，延長超聲時間，石墨烯分散液的濃度逐步增加，最終可達1.0-1.2mg/mL。此外，采用溶劑剝離法對石墨進行剝離時，石墨烯的產率除了與所選用溶劑的種類有關外，還與選用的石墨種類有關。實驗表明：高定向熱裂解石墨和熱膨脹石墨適合用于溶劑剝離法制備石墨烯。本發明采用由碳化硅原料經高溫煅燒脫硅制得的微晶人造石墨為原料通過溶劑剝離法制備石墨烯。

發明內容

為了解決背景技術中提出的，采用溶劑剝離法制備石墨烯中存在的產率低的問題，本發明提出一種以碳化硅為原料，通過高溫煅燒在惰性氣氛中蒸發掉碳化硅原料中的硅原子形成適合于石墨烯制備的微晶人造石墨，再經過超聲剝離形成石墨烯的技術，其技術方案為：一種石墨烯的制備技術，其特征包括如下步驟：

1)選用碳化硅為原料，首先把一定量的碳化硅原料置于石墨坩堝中，然后把石墨坩堝置于高溫真空爐中，關閉爐門，抽真空，然后把惰性氣體沖入高溫真空爐中，升溫，在一定生長溫度和壓力下保溫一定時間，蒸發掉碳化硅中的硅原子，然后降溫并取出生長出的微晶石墨；

2)把步驟1)中生長出的微晶石墨粉碎并倒入裝有一定量溶劑的容器中，在一定的超聲功率下超聲剝離一定時間后，經多次離心分離過濾掉未完全剝離掉的石墨即得石墨烯分散液，所制得的石墨烯分散液經冷凍干燥即得干態石墨烯。

上述方案所述的碳化硅原料為碳化硅單晶或多晶或粉末。

上述方案所述的溶劑為水、乙醇、丙酮、乙醚、甲苯、二甲苯、環己烷、甲胺、N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、γ--丁內酯、1，3-二甲基-2-咪唑啉酮、環戊酮、十二烷基苯磺酸鈉中的一種或多種混合溶劑。

上述方案所述的惰性氣體為氮氣或氬氣或氖氣或氦氣，其壓力為10-100乇。