[發明專利]生產石墨烯的方法

有效

• 申請號: 202010135205.6
• 申請日: 2015-01-28
• 公開（公告）號: CN111498837B
• 公開（公告）日: 2023-10-24
• 發明（設計）人: D·弗雷;A·卡邁利
• 申請（專利權）人: 劍橋企業有限公司
• 主分類號: C01B32/19
• 分類號: C01B32/19
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 嚴政;陳小蓮

本發明涉及石墨烯制備技術領域，具體涉及一種生產石墨烯薄片的方法，該方法包括以下步驟：在含有氫離子的熔鹽中，通過石墨電極的電化學腐蝕形成碳質粉末，從熔鹽液體中回收得到的碳質粉末，并通過在非氧化氣氛中加熱所述碳質粉末來熱處理所述碳質粉末，以生產包含石墨烯薄片的熱處理后的粉末。該方法可以允許高純度的石墨烯薄片的高生產速率。

相關申請的交叉引用

本申請為申請日為2015年1月28日、申請號為201580016756.8、名稱為“生產石墨烯的方法”的中國發明專利申請的分案申請。

技術領域

本發明涉及通過包括石墨電極的電化學剝落，優選隨后在非氧化或還原的環境下加熱的工藝生產石墨烯薄片(例如石墨烯納米薄片)的方法。

背景技術

術語“碳納米結構”包括如富勒烯(fullerenes)、碳納米管(CNTs)、碳納米纖維、碳納米顆粒、碳納米片和石墨烯的結構。特別地，石墨烯擁有許多特別的性能，如高彈道(ballistic)電子遷移率、高熱導率、高楊氏模量、高斷裂強度和高比表面積。最近，石墨烯基的納米材料在文獻報道中被不同地稱為石墨烯、碳納米片、碳納米花、碳納米角、碳納米壁或石墨烯碳納米薄片(GNSs)，由于其獨特的尺寸、結構和導電性能，吸引了科學界的注意，使其成為許多應用中有前途的候選者。本文中將要涉及的該結構被稱為石墨烯薄片或石墨烯納米薄片。對石墨烯納米薄片可能的應用包括用于電子場發射器、電化學電容器、電容去離子化的電極材料、鋰離子電池的陽極材料、催化劑載體、生物傳感器、燃料電池的電極、光催化應用、透明的導電薄膜和納米接觸器。其它潛在的應用可以包括或涉及腐蝕預防、導電油墨、潤滑油、更有效率的太陽能電池、新型抗生素和在新型超高性能的聚合物基、陶瓷基和金屬基復合材料中的填充物。除此之外，石墨烯/半導體納米復合材料為用于染料污染物的光降解中有前途的新一類催化劑。石墨烯還提供新的機會以發展海水淡化技術，和挑戰目前存在的用于從水溶液中去除低濃度污染物的吸附劑。此外，石墨烯納米薄片可以用作其它納米結構材料制造的模板(template)。

石墨烯薄片是最初通過高定向熱解石墨(HOPG)的“從上到下”微機械剝離的方法少量生產。后來，相對更大量的化學修飾石墨烯薄片是通過許多方法生產的，所有這些方法利用HOPG作為原材料和涉及勞動密集型的準備。最近地，關注點在于利用類似那些用于碳納米管生產的方法制備石墨烯。例如，石墨烯薄片已通過化學氣相沉積(CVD)技術在基底上以垂直排列的具有幾納米的平均厚度的碳薄片的形式合成。石墨烯薄片也已通過電漿增強CVD(PECVD)、熱線式CVD、直流電漿增強CVD(dc-PECVD)、高頻(rf)-PECVD、電感耦合PECVD、電感耦合rf-PECVD、輝光放電PECVD、微波放電CVD、電子束激發PECVD的方法合成以及也通過基于高溫熱解的方法合成。

基于CVD合成石墨烯薄片的方法有較低的生產速率，其可以低至32nm/min。如果將1m²的表面積用于CVD工藝，石墨烯的生產速率通常低于1g/天。此外，這些方法需要復雜的設備。作為CVD工藝的替代方案，通過室溫離子液體剝落石墨為碳納米材料已經成為許多研究的主題。已經證實了具備石墨電極的室溫離子液體的電解可能導致石墨電極材料一定程度地腐蝕或剝落為碳納米結構(包括石墨烯薄片)。然而，在室溫離子液體中石墨烯的合成速度較慢。此外，室溫離子液體通常為有毒的、非生物降解的且十分昂貴的。

目前，沒有能夠供給大量的石墨烯薄片或石墨烯基材料的石墨烯薄片生產工藝存在。因此，使用石墨烯的應用和材料的發展是困難的。

發明內容

本發明提供了生產石墨烯薄片和包含石墨烯薄片的碳質粉末的方法(定義于隨附的獨立權利要求中，現在應當作為參考)。本發明中優選的和/或有利的特征列于從屬權利要求中。

因此，第一方面，生產石墨烯薄片的方法可以包括以下步驟：

(a)通過石墨電極在熔鹽中的電化學腐蝕形成碳質粉末，所述熔鹽含有氫離子，