[发明专利]石墨烯片及其制备方法

说明书

技术领域

本公开涉及一种石墨烯片(graphene sheet)及其制备方法。

背景技术

通常，石墨是二维的石墨烯片的堆叠，其中，石墨烯片是由结合成六边形结构的碳原子的平面阵列形成的。近来，对石墨烯片的测试已经揭示了单层或多层石墨烯片的有益特性。

石墨烯的一个有益特性是电子在石墨烯片中以完全不受阻碍的方式流动，也就是说，电子以光在真空中的速度流动。此外，石墨烯片表现出不同寻常的对电子和空穴的半整数量子霍尔效应。传统的石墨烯片的电子迁移率是大约20000至50000cm²/Vs。

在一些应用中，碳纳米管可用作导体。然而，由于在合成和提纯工艺过程中的低产率，导致碳纳米管昂贵。另外，根据单壁碳纳米管的手性和直径，单壁碳纳米管表现出不同的金属特征和半导体特征。此外，根据单壁碳纳米管的手性和直径，具有相同半导体特征的单壁碳纳米管具有不同的带隙能量。因此，为了获得期望的半导体特征或金属特征，优选地，将单壁碳纳米管彼此分离。然而，难以分离单壁碳纳米管。

另一方面，使用石墨烯片是有利的，因为在装置中，由于石墨烯片的电学特征取决于晶体取向，所以通过布置石墨烯片以使其晶体取向在选定的方向中，石墨烯片可以被设计为表现出期望的电学特征。设想石墨烯片的特征可以用于未来的含碳电气装置(carbonaceous electrical device)或含碳电磁装置(carbonaceous electromagnetic device)。

然而，虽然石墨烯片具有这些有利特征，但是还没有开发出经济地且可再生产地制备大尺寸石墨烯片的方法。可以通过微观力学方法或SiC热分解来制备石墨烯片。根据微观力学方法，可以通过将Scotch^TM带附着到石墨样品并分离该Scotch^TM带来将石墨烯片从附着到Scotch^TM带的表面的石墨上分离。在这种情况下，所分离的石墨烯片不包括均匀数量的层，并且剥离的部分不具有均匀的形状。此外，不能利用微观力学方法制备大尺寸的石墨烯片。同时，在SiC热分解中，SiC单晶被加热以通过分解在其表面上的SiC来去除Si，然后剩余的碳C形成石墨烯片。然而，用作SiC热分解的起始材料的SiC单晶材料非常昂贵，并且难以形成大尺寸石墨烯片。

发明内容

本发明公开了一种制备具有期望厚度的大尺寸石墨烯片的经济方法。

本发明还公开了一种用所公开的方法制备的石墨烯片。

本发明公开了一种使用石墨烯片的膜、氢储存介质、光学纤维和电气装置。

本发明公开了一种包括石墨烯片的石墨烯基底。

在实施例中，提供一种制备石墨烯片的方法，所述方法包括以下步骤：形成膜，该膜包含石墨化催化剂；在存在石墨化催化剂的情况下热处理气态碳源以形成石墨烯；冷却石墨烯以形成石墨烯片。

气态碳源可以是任何含碳的化合物，具体地说，是包含7个或更少的碳原子的化合物，更具体地说，是包含4个或更少的碳原子的化合物，最具体地说，是包含2个或更少的碳原子的化合物。示例性的气态碳源包括从由一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙醇、乙炔、丙烷、丙烯、丁烷、丁二烯、戊烷、戊烯、环戊二烯、己烷、环己烷、苯和甲苯组成的组中选出的至少一种。

所述膜可以是薄膜或厚膜。

薄膜的厚度可在大约1nm至大约1000nm之间。

厚膜的厚度可在大约0.01mm至大约5mm之间。

还可与气态碳源一起供应氢。氢可通过清洁金属催化剂的表面而被用来控制气相反应。基于容器的总体积，氢的量按体积计可以是大约5％至大约40％，具体地说，按体积计是大约10％至大约30％，更具体地说，按体积计是大约15％至大约25％。

可以在大约300℃至大约2000℃的温度下执行热处理。

可通过调节热处理时间来控制石墨烯的厚度。

石墨化催化剂可包括从由Ni、Co、Fe、Pt、Au、Al、Cr、Cu、Mg、Mn、Mo、Rh、Si、Ta、Ti、W、U、V和Zr组成的组中选出的至少一种元素。

可以以大约0.1℃/min至大约10℃/min的速率执行冷却步骤。

该方法还可包括在冷却热处理过的产物之后，通过利用酸处理去除石墨化催化剂，来将形成石墨烯片与石墨化催化剂分离的步骤。

本发明还公开了一种根据所公开的方法制备的石墨烯片。

当测量石墨烯片的拉曼光谱时，所述石墨烯片的拉曼D带/G带的峰比可以等于或小于大约0.2，优选地，可为大约0(零)。