[發明專利]石墨烯片及其制造方法

在審

• 申請號: 201380046045.6
• 申請日: 2013-09-04
• 公開（公告）號: CN104797526A
• 公開（公告）日: 2015-07-22
• 發明（設計）人: W·里肯
• 申請（專利權）人: 真實2材料有限公司
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 北京市路盛律師事務所 11326
• 代理人: 馮云;王桂玲

發明領域

本發明涉及石墨烯片及其制造方法。

發明背景

石墨烯是一種包含以六邊形結構的形式(典型地通過sp2鍵)鍵合在一起的碳原子的單層的分子。石墨烯具有許多令人希望的熱和機械特性，包括高熱導率(5,000W/mK)、室溫下的高電子載流量(250,000cm³/Vs)、高拉伸強度、以及高機械穩定性，具有1TPa的楊氏模量。石墨烯的這些特性使其在很多應用中有用，如傳感器、電池、超級電容器、氫存儲系統以及作為納米復合材料的增強填充劑。

石墨烯片可以是處于單層或多層石墨烯的形式，但是目前用于制造石墨烯片的方法是有限的。

現有的用于制備石墨烯片的方法包括，化學氣相沉積(CVD)到一種金屬(即箔)襯底上、化學剝離、石墨的機械剝離、外延生長、碳納米管切割以及直接超聲處理。這些方法都具有它們自己的優點和缺點，特別是關于成本和可擴展性。目前的方法要求大量的過濾、化學分離過程、化學侵蝕過程以及其他環境上不清潔的步驟來產生一種功能性材料。

此外這些方法不能很好地適合于大規模生產。

發明概述

本發明總體上涉及提供一種可以容易地擴大以生產石墨烯片的簡化的方法。

根據本發明的一個方面，提供了一種用于制造石墨烯片的方法，該方法包括：

將一種石墨烯或氧化石墨溶液施用到一種藍鋼襯底上；以及

將該溶液干燥以在該襯底上形成石墨烯片。

如在此所使用的術語“石墨烯片”或“氧化石墨烯片”可以包括具有彼此共價鍵合的芳香族多環碳原子的單層的分子。術語“石墨烯片”或“氧化石墨烯片”還包括其中若干(即二、三、四、五至十、一至二十、一至五十、或一至一百)個碳原子單層堆疊在彼此頂部而不恢復回碳的分子。因此，如在此所使用的術語“石墨烯片”或“氧化石墨烯片”是指單層芳香族多環碳以及多個這種層堆疊在彼此之上。

該方法可用于形成單層或多層片。優選地石墨烯片包括一至一百層碳原子。更優選地石墨烯片包括一至二十層，更優選地一至二十層，更優選地二至十層。特別優選的片具有2、3、4或5層碳原子。

由本發明的方法形成的示例性石墨烯片可以包括在1與30個之間的原子層。這種片具有約1nm至約100nm的相應厚度。優選地這些片可以具有1至50nm的厚度并且更優選地2至10nm的厚度。特別優選的片具有2nm、3nm、4nm或5nm的厚度。所形成的片的厚度可以取決于這些片包括的層數。

在本發明的一個實施例中石墨烯片是單層片。優選地該片具有約1nm的厚度。已經報道了不同厚度的單層石墨烯，范圍從0.35nm至1nm(Nemes-Incze等人，2008年，碳(Carbon)，46(11)卷：1435-1442頁)。諸位發明人已經測量了石墨烯片為每層1nm。

在另一個實施例中該石墨烯片是多層片。雖然在技術上沒有限制可以堆疊的石墨烯片的數目，在實踐中會到達某一個點其中石墨烯堆疊使石墨烯恢復回石墨。優選地該多層片具有不導致恢復回石墨的厚度。優選地該多層片可以具有最高達100納米的厚度。

由該方法生產的片的厚度可以變化。改變片厚度的方法包括當使用液滴流延技術來施用溶液時控制施用到藍鋼襯底上的溶液的小液滴尺寸的形成和/或控制在溶液中的氧化石墨的濃度。小液滴尺寸可以使用溶液密度、針尺寸和形狀(取決于分配設備)、成形的和調諧的電場及其組合來控制。為達到2至3原子層厚度，優選的濃度為每100ml的H₂O約2mg的石墨烯或氧化石墨。為達到更厚的層，將溶液調節為每100ml的H₂O在3mg至6mg之間的石墨烯或氧化石墨烯。實驗表明為達到單原子層將要求每100ml的H₂O，0.1至1.5mg的石墨烯或氧化石墨烯。

不希望被任何特定理論所束縛，諸位發明人相信使用藍鋼作為金屬襯底在其上形成石墨烯片有助于在該襯底上形成的片的釋放。藍鋼是一種包括鎳和鉻的鋼合金并且具有一種球化的碳結構并且是從多家制造商(包括JFE)可商購的。藍鋼在US?8,071,018和US?8,052,812中進一步描述，其內容通過引用結合在此。

石墨烯或氧化石墨溶液可以通過任何適合的方法來制備。制備的溶液可以取決于所希望的石墨烯片的功能性、處理這些片所要求的時間、以及在石墨烯片與藍鋼襯底(在其上制備石墨烯片)之間的表面張力。