[發明專利]生產石墨烯的方法

有效

• 申請號: 201380029133.5
• 申請日: 2013-04-08
• 公開（公告）號: CN104540778B
• 公開（公告）日: 2016-10-26
• 發明（設計）人: 杰拉爾丁·G·博特
• 申請（專利權）人: 俄亥俄州立大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 北京市磐華律師事務所 11336
• 代理人: 董巍;謝栒

相關申請的交叉引用

根據37CFR§1.78(a)(4)，本申請要求于2012年4月9日提交的序列號為61/621625的先前提交的共同待審的臨時申請的權益和優先權，該臨時申請通過引用完整的明確地并入本文。

背景技術

以蜂巢網格排列的sp²雜化碳原子的二維單層的石墨烯表現出優異的機械、熱、電和光學性能；較大的比表面積；以及化學穩定性。這些高超性能賦予石墨烯許多可能的應用，應用范圍從納米電子、復合材料、傳感器到鋰離子電池、太陽能電池、或超級電容器中的電化學電極。石墨烯具體的電子應用包括移動電話、雷達、晶體管、數據存儲、觸摸屏以及可佩戴電子設備。

雖然在石墨烯的理論和實驗研究這兩方面的興趣日益增加，但是高品質、低成本、石墨烯的批量生產仍然是一項重大的挑戰。基本上有四種生產石墨烯的方法。第一種方法是石墨的機械剝離，其可生產出高品質的石墨烯。然而，產率較低，因為在生產過程中難于控制石墨烯的層數。因此，這種方法僅適用于基本研究。第二種方法是化學衍生的石墨烯膠體懸浮液。這種方法可在溶液中批量生產石墨烯片，但由于化學氧化和還原過程會導致結構缺陷而導電性較差。第三種方法是有機合成。然而，由全部的有機合成生產的石墨烯由于大分子的不溶性和副反應而具有尺寸限制。最后，化學氣相沉積(CVD)是用于生長高品質和大型石墨烯一種很有前途的方法。現有的CVD方法需要諸如鈷、鎳、鉑、銥和釕的昂貴過渡金屬作為催化劑，烴類氣體作為碳源，以及電子束蒸發工藝。一些CVD方法還需要超高真空條件和/或適于石墨烯生長的特定基底。高成本阻礙了將CVD方法用于大規模石墨烯生產和應用的使用。

發明內容

本發明的前提是實現使用煤的副產物來廉價地生產石墨烯。更具體地，本發明的前提是實現可使用焦炭(char)來形成石墨烯，焦炭(char)是水煤漿電解的副產物。

更具體地，研磨的煤可進行電解，這將消耗煤的一部分，形成包覆有防止進一步電解的凝膠狀有機金屬物質的顆粒。這些經包覆的顆粒可進行溶劑萃取以便除去有機物質，從而允許煤顆粒再次用于電解。這可以被重復，直到包覆層的清洗或溶劑萃取不再提高煤顆粒電解的效率為止。

可將焦炭、電解的煤顆粒或凝膠狀包覆層可用于作為形成石墨烯的碳源材料。該方法可與各種各樣的不同的煤一起使用，并且進一步的，電解的煤可在任意時刻根據最終用途的要求在初始電解之后或重復電解之后從電解過程收集。石墨烯在氫氣存在下在大氣壓力下通過化學氣相沉積從電解的煤來生產。這以相對低的成本且無需昂貴的催化劑來生產高品質的石墨烯。

根據以下詳細的描述和實例進一步理解本發明的目的和優點，其中：

附圖說明

圖1是用于從煤漿形成氫氣的電解裝置的示意圖；

圖2是圖1的電解槽的分解示意圖；以及

圖3是用于形成石墨烯的設備的示意圖。

具體實施方式

圖1示出用于將煤電解的設備10的示意圖，反過來，煤電解又產生用于生產石墨烯的焦炭或電解的煤顆粒。如圖1中所示，設備10包括電解槽11，其包括由膜13(諸如全氟化磺酸酯(Nafion)膜或聚乙烯膜)分隔開的陰極12和陽極14。

包含陽極溶液的容器16，通到泵17，該泵將陽極溶液泵入到電解槽11的陽極側。如圖所示，陽極溶液流動通過管線23通過丙烯酸樹脂塊(acrylic?block)22中的通道21。陽極流體流動通過通道21，然后經由管線24返回到容器16。所生成的氣體(二氧化碳)，在流體中從容器散發出來并且被引導到氣體收集器26。溫度控制器27位于容器16內。

在相對側處，容器30包括陰極溶液，其被引導到泵32通到電解槽11的陰極側。同樣，該陰極溶液通過管線33通過丙烯酸樹脂塊(acrylic?block)34中的通道(未示出)，其提供與陰極12的接觸，然后流體從通道引導通過管線36返回到容器30。所生成的氣體(氫氣)被引導到氣體收集器40。同樣，溫度控制器42位于容器30內。

圖2示出了電解槽11的分解視圖。丙烯酸樹脂塊22和34彼此成鏡像。陽極14和陰極12在隔板13的任一側上。由惰性隔板44和46在丙烯酸樹脂塊22和34、陰極12和陽極14之間形成間隔。這些惰性隔板例如可以是聚四氟乙烯、全氟化磺酸酯(Nafion)或聚乙烯。

陰極12可以是必須承受電解槽11中酸性條件的任何材料。這些材料包括碳、鎳、和諸如鉑、銥、銠的貴金屬，以及它們的組合。