[发明专利]一种制备高质量石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高质量石墨烯制备方法，属于材料化学制备技术领域。

背景技术

石墨烯(graphene)是由碳原子构成的以苯环为基本单元的具有二维蜂窝状结构的单原子层材料，是构建其它维度碳质材料(如零维富勒烯、一维碳纳米管和三维石墨)的基本单元。石墨烯具有优异的电学、热学和力学性能，例如，石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率(达15000cm²V^-1s^-1)，并且载流子表现出明显的双极场效应特性和室温亚微米尺度的弹道传输特性，极高和连续可调的载流子浓度(可达10¹³cm^-2)；石墨烯的强度可达130GPa，是钢的100多倍；石墨烯的热导率可达5000W/m·K，是室温下纯金刚石的3倍；石墨烯对近红外、可见光及紫外光均具有优异的透过性等等。因此，石墨烯可望在高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、显示器件、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用。由于其独特的二维结构和优异的晶体学质量，石墨烯蕴含了丰富而新奇的物理现象，因此，石墨烯迅速成为化学、材料科学和凝聚态物理领域近年来的研究热点。

目前，石墨烯的应用主要涉及物理和化学两个领域，物理研究主要集中在电子特性和机械特性，化学研究主要有制备、表面和化学修饰。而石墨烯的大规模应用亟需实现大规模、可重复地制备平整、均匀、厚度和尺寸可控的高质量石墨烯材料。Geim等人最初采用“微机械力分裂法”，即通过机械力从石墨晶体表面剥离石墨烯片层并转移到氧化硅等载体表面上。虽然这种方法可以制备微米大小的石墨烯，但是其可控性差，产量低。通过加热SiC(0001)单晶表面外延生长石墨烯结构，这种担载的石墨烯可以通过光刻过程直接做成电子器件。但是由于SiC晶体表面在高温加热过程中表面容易发生重构，导致表面结构较为复杂，难以获得大面积、厚度均一的石墨烯。化学气相沉积法(CVD)是以金属单晶或多晶金属薄膜为衬底，在其表面上暴露并高温分解含碳化合物可以生成石墨烯结构，但是生长石墨烯的金属衬底难除去。目前制备石墨烯应用最多的是化学剥离法，即通过强氧化剂把石墨氧化，形成氧化石墨烯，而后再用强的还原剂将氧化石墨烯还原成石墨烯。化学剥离的过程中所使用的强氧化剂，会破坏石墨烯平面的碳骨架，产生缺陷，导致所得的石墨烯导电性能下降。因此，如何简单可控宏量的制备高质量的石墨烯是目前研究的一大难点和热点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以宏量制备高质量石墨烯的方法。发明的基本思路是：利用活泼金属和无水乙醇或低碳卤代烃反应生成新生态的碳，新生态的碳重构成石墨烯。与传统的化学剥离法制备石墨烯方法相比，本发明得到的石墨烯缺陷少、导电性好，且操作简单、步骤少、制备成本很低，可以宏量制备。

本发明以活泼金属锂、钾、钠、镁、钙、锶、钡、镧等中的一种或几种的组合，低碳卤代烃为三氯甲烷、四氯化碳、四溴化碳、六氯苯、六氯乙烷、七氯丙烷及无水乙醇中的一种或几种组合原料，在惰性气氛保护下，采用溶剂热合成石墨烯。下面详细描述本发明。

a)石墨烯的合成

活泼金属锂、钠、钾、镁、钙、锶、钡、镧中的一种或几种的组合和低碳卤代烃四氯化碳、四溴化碳、三氯甲烷、六氯苯、六氯乙烷、七氯丙烷或无水乙醇中的一种或几种组合为原料在惰性气氛如氩气、氮气等中反应，反应时间为0.5-60小时，温度为60-500℃，反应时间和温度均根据金属和碳源的种类有所不同，活泼金属与碳源的摩尔比为0.5-6。

反应容器为能耐高压的密闭反应釜，反应前要把反应釜拧紧，以防反应过程中涉及的气体泄漏。

当金属和卤代烃接触后应快速升温(约60min之内)至所需温度并保温5-50h。

b)石墨烯的提纯

当反应结束后，得到的石墨烯中含有未反应的卤代烃以及产生的金属卤化物等副产物。因此，需要对得到的石墨烯提纯。

①先往反应得到的混合物中加入大量的丙酮，并充分搅拌0.5-1h以使得丙酮充分溶解卤代烃。所需丙酮的量根据反应过程中所加的卤代烃的量而变化。

②过滤步骤①的混合液中得到滤饼，并用去离子水将滤饼洗出。

③往②中加入20-200mL的摩尔分数为10％-35％的盐酸，加热至60-80℃，充分搅拌。此处加入盐酸的目的是为了更好的除去反应过程中的产生的碱金属卤化物。

④将混合液③过滤，并用大量的去离子水洗涤。

⑤真空干燥得到石墨烯样品，真空干燥温度为60-100℃，真空干燥时间6-10h。