[发明专利]一种大量制备高质量石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于碳材料领域，涉及一种大量制备高质量石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种特殊的片层结构，它于2004年由英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）发现（SCIENCE 2004, 306, 666-669），并获得了2010年的诺贝尔物理奖。他们采用机械剥离法，通过多次剥离，从高定向热解石墨上获得了仅由一层碳原子构成的单层石墨片，即石墨烯。研究发现石墨烯具有各种远超现有材料的优异属性，例如：世界上最薄的材料 （单层石墨烯仅0.335 nm）、目前已知强度最高的材料、韧性极好 （弹性模量可达1.1 TPa）、优异的抗渗性 (He原子无法穿过）、突出的热导性能、室温下高速的电子迁移率、极高的比表面积 （单层石墨烯的理论比表面积高达2630m²/g）、最轻的载荷子等。利用石墨烯，能够研发一系列具有特殊性质的新材料。例如，石墨烯晶体管的传输速度远远超过目前的硅晶体管，有望应用于全新超级计算机的研发。利用其优良的导电性和极大的比表面积，石墨烯可以用于制造电极材料，传感器材料。与其它材料复合，石墨烯还可用于制造具有特殊性能的复合材料，从而使新材料更薄、更轻、更富有弹性，因此其应用前景十分广阔。石墨烯不仅带来一场电子材料革命，而且还将极大促进汽车、飞机和航天工业的发展。 

一般将层数在10层以下的石墨片称为“石墨烯”，一层的称为“单层石墨烯”，二层以上的称为“多层石墨烯”。它们都具有与石墨不相同的物理、化学和机械性能，而层数高于10层的石墨片的性能与普通的石墨相同。由此，对于石墨烯的制备与研究主要是研究层数在10层以下的石墨片。

目前，石墨烯的制备方法主要有：机械剥离法、化学剥离法、SiC外延生长法、化学气相沉积等。

机械剥离法：是将高定向热解石墨剪切成石墨薄片，用胶带粘在薄片两侧，然后撕开胶带将薄片一分为二，重复以上过程就可以得到10层以下的石墨烯，甚至是单层的石墨烯。此方法的优点：可以获得极高品质的石墨烯片；缺点：产量很低，成本非常高。

SiC外延生长法：是在真空中加热SiC晶体，当温度达到1200℃~1500℃时，C-Si键发生断裂，含C原子较多的平面中的Si原子被蒸发出来，而剩余的碳原子会在SiC晶体(0001)面上排列成六方的石墨烯结构。这种方法的优点：可以制备较高质量的石墨烯且无须进行基底的转移；缺点：产量低、成本高，且石墨烯片的厚度不均匀。

化学气相沉积法：是利用高温分解碳氢气体，在极薄的镍催化剂或铜催化剂薄膜中，首先形成碳镍饱和固溶体，然后在冷却过程中，碳原子逐渐从镍或铜晶体中析出，而获得石墨烯片层。该方法的优点：在获得高品质石墨烯的同时，还能在合理的成本下获得较理想的产率，另外在制备大面积的石墨烯方面也具备一定的潜力。缺点：1) 制备的石墨烯通常需要转移到其它基底上，增加了制备的难度；2) 制备石墨烯的产量虽高于机械剥离法和外延生长法，但还远远不能满足人们在应用上的需求。

化学剥离法，又称“氧化还原法”：是指首先利用强氧化剂对普通石墨进行氧化处理，使其层间距变大、易于分离；然后利用超声等方法剥离已被氧化的石墨，得到氧化石墨烯；最后，在高温或者在还原性溶液中对氧化石墨烯进行还原反应，使剥离后的氧化石墨还原得到石墨烯。该方法的优点：石墨粉原材料容易获得、制备工艺简单、成本较低，可用于大量制备石墨烯。缺点：所制备的石墨烯质量低、缺陷多，碳原子排列无序度高等，这些特征大大地降低了石墨烯的物理、化学和机械性能等，限制了石墨烯的进一步广泛应用，或者影响到应用效果。