[發明專利]一種采用交替電流剝離制備石墨烯的方法

有效

• 申請號: 201711335782.4
• 申請日: 2017-12-14
• 公開（公告）號: CN108117065B
• 公開（公告）日: 2020-04-17
• 發明（設計）人: 毋偉;朱碧馨;田杰;黃曉惠;吳賽
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: C01B32/19
• 分類號: C01B32/19
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種采用交替電流剝離制備石墨烯的方法，屬于石墨烯的制備領域。具體步驟如下：1.配制一定濃度的電解質溶液；2.以高純石墨板為陰陽電極，固定極板間距，通過定時交換電極的方式在電解液中循環剝離；3.一定時間后完成剝離，取出電極，對電解液抽濾洗滌；4.取固體超聲分散均勻，離心后上清液即為石墨烯。本方法操作過程簡便，易于大批量制備氧化程度低的石墨烯。通過交替電極的剝離方法可以在陽極剝離石墨烯后，即時采用陰極電流還原，制備出的石墨烯氧化程度低，缺陷較小。調節合適的交替頻率后可以制備出特定片徑尺寸(100納米至幾微米)的石墨烯，單層和雙層率高達80％以上，在生物制藥和復合材料中具有更廣泛的用途。

技術領域

本發明屬于石墨烯的制備領域，具體地說涉及一種采用交替電流剝離石墨烯的制備方法。

背景技術

石墨烯是由碳原子通過sp²雜化形成的六元環晶格結構材料，2004年首次由英國科學家Andre Geim和Konstantin Novoselov利用膠帶剝離石墨制得。單層的石墨烯很薄，厚度只有一個原子層，約為0.335nm，卻是世界上已知的強度最大的材料，其強度高達130GP。石墨烯比表面積的理論值約為2600m²/g，室溫熱導率達到了(5.3±0.48)×10³W·m^-1·K^-1，斷裂強度和楊氏模量分別高達40N/m和1.0TPa，具有良好的導電、導熱和力學性能。優異的性能決定了石墨烯在許多領域都有廣闊的應用前景，例如，超級電容器、電化學傳感器、場效應晶體管、微生物燃料電池、染料敏化太陽能電池等，從而引發了科學界對它的研究熱潮。

鑒于石墨烯光明的應用前景，如何低成本制備出質量高、可應用的石墨烯是現階段科學家面臨的一個重要的研究內容。目前使用的主要方法有化學法和電化學法，下面具體介紹各種剝離方法及其優缺點。

化學法主要包括機械剝離法、氧化石墨還原法、化學氣相沉積法(CVD)和外延生長法等。機械剝離法是采用一定的機械力作用于石墨材料，將石墨烯從中剝離出來的方法。缺點是制備的偶然性大，產品石墨烯尺寸不一且產量低，不能實現石墨烯的大面積和規?；苽洌に嚭唵?、樣品的質量高，適合用于實驗室基礎研究。氧化石墨還原法是采用強酸、強氧化物作用或者熱處理天然石墨，得到氧化石墨烯，通過超聲分散后，再用還原劑去除相關含氧基團，得到還原氧化石墨烯。該法優點是成本較低、可實現石墨烯批量生產。但采用氧化還原法制備的石墨烯中部分含氧官能團不能完全去除，晶體結構會有一定程度的破壞，難以得到完整的石墨烯片層結構，從而導致一些物理、化學性能的損失。CVD是在可分解的高溫碳氫氣體中，通過高溫退火，讓碳原子在基體表面沉積形成單層石墨烯，該方法具有可控、工藝簡單、可生產大面積(可達數平米)石墨烯等特點。但制備的石墨烯存在晶界缺陷、針孔、皺紋和裂紋，且有雜質生成，對設備環境有較強的依賴性，成本偏高，污染大。外延生長法本質上就是一種碳原子的重構化學反應，可分為SiC外延生長法和金屬襯底外延生長法。工藝條件是高溫(通常>1300℃)，超真空(通常<10-6Pa)，在此時SiC中Si原子被脫除，剩下的C原子生長成石墨烯。該法適于大面積、高質量石墨烯的制備，可實現晶圓級大規模石墨烯材料的制備，但將石墨烯從制備基體轉移到目標基體時，受基片的影響而難以轉移，而采用“基體腐蝕法”成本高，不利于規模化應用。