[發明專利]一種立方形貌石墨烯粉末及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 201610139816.1
• 申請日: 2016-03-11
• 公開（公告）號: CN107176600A
• 公開（公告）日: 2017-09-19
• 發明（設計）人: 劉忠范;史劉嶸
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: C01B32/186
• 分類號: C01B32/186
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司11245
• 代理人: 關暢,王春霞

技術領域

本發明涉及一種立方形貌石墨烯粉末及其制備方法與應用，屬于材料領域。

背景技術

石墨烯是一種由sp²雜化的碳原子組成的二維碳材料，碳原子在二維平面內呈六邊形周期性排列，形成類似蜂窩狀的結構。同時，石墨烯二維晶體具有特殊的能帶結構，其價帶與導帶相交于第一布里淵區的六個頂點上，說明石墨烯是一種零帶隙的半導體。石墨烯這種特有的長程有序的共軛幾何結構以及獨特的狄拉克錐形的電子能帶結構賦予了其眾多優異的電學、光學、力學和熱學等性質。鑒于其超乎尋常的物理、化學性質，石墨烯被認為是近十年來材料科學領域最重要的發現，不僅吸引了科研界科學家們的廣泛關注，更成為了主導未來高科技產業發展方向的超級明星材料。

然而，要實現石墨烯的實際應用價值，其批量制備的技術必不可少。現階段，石墨烯材料的宏量制備技術通常是液相法，以石墨為原料，通過插層、熱膨脹、電化學或其他方式使其層間距變大，再在超聲或者外加剪切力的作用下得到石墨烯粉體。這種方法雖然可以得到大量的石墨烯粉體，但其質量一般較低，并且過程中所使用的強酸、有機溶劑等會對環境造成很大污染，不宜用于工業化制備。現階段，化學氣相沉積技術是一種制備高質量石墨烯材料的方法，通常采用的基底包括銅箔、鎳箔、SiO₂/Si等，獲得的石墨烯具有高晶體質量、大面積、層厚可控等特點。然而，這些生長基底都需要通過使用刻蝕劑刻蝕的方法才能去除，這一方面增加了基底的損耗，另一方面也會引入雜質，從而造成石墨烯晶體質量的嚴重降低。

發明內容

本發明的目的是提供一種立方形貌石墨烯粉末及其制備方法與應用。本發明制備方法簡單，對基底的去除采用水或含水的溶劑，除去快速、有效，且綠色無污染。

本發明提供的立方形貌石墨烯粉末的制備方法，包括如下步驟：1)將氯化鈉煅燒，所述煅燒后降溫，得到氯化鈉基底；

2)將氯化鈉基底升溫，然后通入碳源進行化學氣相沉積反應，得到石墨烯-氯化鈉復合粉體；

3)從所述石墨烯-氯化鈉復合粉體中分離石墨烯，即得到石墨烯粉末。

上述的方法中，步驟1)之前還包括將氯化鈉進行重結晶處理，得到微米級氯化鈉；

所述從所述石墨烯-氯化鈉復合粉體中分離石墨烯的方法包括如下步驟：將所述石墨烯-氯化鈉復合粉體于清洗溶液中浸泡，過濾收集沉淀。

上述的方法中，所述重結晶的按照如下步驟進行：將所述氯化鈉溶解于去離子水中形成飽和溶液，然后向所述飽和溶液中加入有機溶劑Ⅰ，析出氯化鈉的晶粒，過濾收集所述晶粒，即得到所述微米級氯化鈉；

所述微米級氯化鈉的平均粒徑可為0.1～100μm；

所述有機溶劑Ⅰ為乙醇、丙酮和環己烷中至少一種。

本發明中，所述重結晶過程中，加入有機溶劑Ⅰ的量為溶液中不再有氯化鈉的晶粒析出為止。

上述的方法中，所述煅燒的溫度可為50～500℃，具體可為100℃、50～100℃、50～200℃或100～500℃，所述煅燒的時間可為5～200min，具體可為30min、5～30min、5～100min或30～200min；

所述煅燒的設備為化學氣相沉積設備，所述煅燒的過程以除去氯化鈉中所含的水分和有機溶劑；

所述煅燒后降溫至室溫，所述室溫一般指的是10～30℃，具體可為25℃、10～25℃或25～30℃。

上述的方法中，所述升溫后的溫度可為300～1300℃，具體可為400℃、700℃、850℃、400～700℃、400～850℃、400～1000℃或400～1300℃；所述升溫的速率可為5～100℃/min，具體可為5℃/min、5～10℃/min、5～50℃/min或5～80℃/min；

所述碳源為乙烯、丙烯、乙炔、乙醇蒸氣或苯甲酸蒸氣；

所述化學氣相沉積反應在惰性氣氛中進行；

所述化學氣相沉積反應采用的設備為雙溫區化學氣相沉積設備；所述雙溫區化學氣相沉積設備中兩個溫區分別設置為不同的溫度，高溫區一般為800～1000℃，低溫區為600～800℃，兩個溫區之間用隔熱板隔開以防止熱量傳遞；

所述化學氣相沉積反應的溫度可為300～1100℃，具體可為400℃、700℃、750℃、400～700℃、400～750℃或400～1100℃；

所述化學氣相沉積反應的時間可為10～360min，具體可為100min、360min、300～360min或150～360min。