[發(fā)明專利]一種由生物質(zhì)衍生碳質(zhì)中間相制備石墨烯的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210297890.8
• 申請(qǐng)日: 2012-08-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102807210A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-12-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙斌元;陳宇翔;賴奕堅(jiān);寧月生;王壘;周潔;范同祥
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué);上海驛度數(shù)碼科技有限公司
• 主分類號(hào): C01B31/04
• 分類號(hào): C01B31/04
• 代理公司: 上海科盛知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 林君如

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于先進(jìn)材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種由生物質(zhì)衍生碳質(zhì)中間相制備石墨烯的方法。

背景技術(shù)

石墨烯是單原子層厚的二維碳原子晶體，呈六方蜂窩狀，被認(rèn)為是富勒烯、碳納米管和石墨的基本結(jié)構(gòu)單元：分解可變成零維的富勒烯，卷曲360°可形成無(wú)縫中空管即一維碳納米管，平行堆疊則形成三維的體相石墨。自從2004年首次發(fā)現(xiàn)單層石墨烯以來(lái)，石墨烯就以其獨(dú)特的光學(xué)性能、突出的導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能以及非凡的電子傳導(dǎo)性能等一系列優(yōu)良的物理、化學(xué)性能，引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注和極大的興趣。

目前制備石墨烯的方法主要有機(jī)械剝離法、在SiC或金屬基板上外延生長(zhǎng)法、石墨氧化還原法、化學(xué)氣相沉積法等。機(jī)械剝離法是通過(guò)透明光刻膠反復(fù)從高度定向熱解石墨上剝離石墨烯片，產(chǎn)量小，生產(chǎn)效率低，重復(fù)性差，只限于實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)；SiC外延生長(zhǎng)法雖可制備出大面積的石墨烯片，且質(zhì)量較高，但是制備條件需高溫高真空，原材料和工藝控制成本較高；化學(xué)氣相沉積法是以含碳化合物為碳源，在金屬基體上將碳源高溫分解后沉積在基體表面，所得的石墨烯片是由小尺寸石墨烯片拼接而成，晶界的存在會(huì)影響石墨烯的性能。

經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，專利公開(kāi)號(hào)CN?102409399A公開(kāi)了一種高質(zhì)量石墨烯的制備方法，是以單壁或多壁碳納米管打開(kāi)形成的石墨烯片為晶種，通過(guò)化學(xué)氣相沉積法以晶種為核在基底表面生長(zhǎng)石墨烯，此方法制備所得的石墨烯材料尺度大，缺陷低，但是原材料碳納米管價(jià)格較為昂貴，來(lái)源匱乏，同時(shí)需將碳納米管以等離子刻蝕或化學(xué)氧化等方法將其打開(kāi)成石墨烯片為晶種，增加了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的繁瑣性。

中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)為CN?1421477A公開(kāi)了一種采用生物質(zhì)資源材料及其廢棄物作為原材料，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行一系列處理后，最終制備得到具有光學(xué)各向異性的碳質(zhì)中間相。該生物質(zhì)衍生碳質(zhì)中間相來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、對(duì)環(huán)境友好、利于工業(yè)大規(guī)模生成，且不同于由石油、煤作為原材料生成的碳質(zhì)中間相，其層間距相對(duì)而言較大，而以由石油、煤作為原材料生成的碳質(zhì)中間相制備石墨的相關(guān)內(nèi)容已經(jīng)有大量報(bào)道，所以以該生物質(zhì)衍生碳質(zhì)中間相為前驅(qū)體是可以制備石墨烯的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種制備工藝簡(jiǎn)單易操作，制備過(guò)程低能耗，可批量化規(guī)模生產(chǎn)的由生物質(zhì)衍生碳質(zhì)中間相制備石墨烯的方法。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種由生物質(zhì)衍生碳質(zhì)中間相制備石墨烯的方法，包括以下步驟：

(1)將基底物質(zhì)浸漬于一定濃度的生物質(zhì)衍生碳質(zhì)中間相的乙醇溶液中，10分鐘～2小時(shí)后將基底物質(zhì)取出、干燥，基底物質(zhì)表面附著一層生物質(zhì)衍生碳質(zhì)中間相薄膜；

(2)將基底物質(zhì)在含有氫氣的氣氛保護(hù)下進(jìn)行熱處理，即在基體物質(zhì)表面形成石墨烯片堆積薄膜；

(3)進(jìn)一步將基體物質(zhì)置于醇類溶劑中經(jīng)超聲分散后，石墨烯薄膜與基體物質(zhì)分離，形成石墨烯的醇溶膠，即為產(chǎn)品。

所述的基底物質(zhì)為片狀或粉狀的單晶硅、多晶硅、云母或石英中的一種。

所述的生物質(zhì)衍生碳質(zhì)中間相的乙醇溶液的濃度為0.01～5wt％。

所述的生物質(zhì)衍生碳質(zhì)中間相的乙醇溶液是指將生物質(zhì)衍生碳質(zhì)中間相溶解于無(wú)水乙醇中配制成溶液，其中生物質(zhì)衍生碳質(zhì)中間相是根據(jù)發(fā)明專利CN1421477A制備所得。干燥過(guò)程中的溫度為室溫～100℃。

所述的含有氫氣的氣氛為純氫氣.、氫氣和氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w的混合氣。

所述的其他惰性氣體包括氦氣或氬氣，其中氫氣體積百分比大于75％。

所述的熱處理的溫度為600～1000℃，處理時(shí)間為1～6小時(shí)。

所述的醇類溶劑為甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、正戊醇或乙二醇中的一種。

所述的醇類溶劑優(yōu)選為乙醇。

生物質(zhì)衍生碳質(zhì)中間相是一種稠環(huán)芳香族化學(xué)結(jié)構(gòu)的液晶，在基底物質(zhì)表面形成層狀排列結(jié)構(gòu)。其每一個(gè)單元的邊緣存在羥基等極性基團(tuán)，在熱處理過(guò)程中，當(dāng)溫度升高時(shí)，這些極性基團(tuán)在平面上相互組裝并發(fā)生縮聚反應(yīng)，導(dǎo)致若干單元融并成更大尺寸的二維晶體結(jié)構(gòu)的石墨烯片。而在垂直于平面方向，加熱過(guò)程易導(dǎo)致石墨烯片的層間距縮短進(jìn)而形成石墨晶體。但在氫氣氣氛下，氫氣分子中的氫原子能與石墨烯片表面的極性基團(tuán)以形成氫鍵的方式插入到兩層石墨烯片之間，避免了石墨烯片之間因?qū)娱g距的大幅度縮小而形成石墨晶體，維持了石墨烯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。