[发明专利]一种利用混合溶剂相剥离石墨制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯的制备方法，尤其涉及一种利用混合溶剂相剥离石墨制备石墨烯的方法。

背景技术

随着2004年英国曼彻斯特大学教授Geim的研究小组，用机械剥离法第一次制备出石墨烯，石墨烯出色的电特性、热特性以及机械、量子等特性被科学家们所发现。在电学方面，电子的迁移率最高，由哥伦比亚大学的Kirill组测得可达250000cm²/Vs，超过硅的100倍以上，而且其电子迁移率的大小几乎不随温度变化而变化。室温下，载流子的量子隧穿效应到了极致，在微米尺度内是弹道输运的。其禁带宽度几乎为零，呈现半金属特性，可以通过门电压改变石墨烯载流子类型。石墨烯是纳米电路理想材料，电阻率约为10-6Ωcm，是目前所有已知材料中电阻率最低的，导电密度是铜的一百万倍。在热学方面，石墨烯导热率可达5000W/(mk)，是金刚石的五倍，而在石墨烯发现前，金刚石是自然界中已知热导率最高的。在力学方面，石墨烯的强度很高，是现在世界上已知最为坚硬的材料，而且同时具有高柔韧性和脆性。石墨烯优异的物理、化学和机械性能，应用前景非常广阔，比如超计算机、晶体管、太阳能电池和超级电容等等。

石墨烯具有如此多优异的性能，制备高质量的石墨烯至关重要。目前制备石墨烯的方法很多，主要包括机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法、碳化硅外延生长法等等。机械剥离法制备石墨烯的质量最好，但偶然性很大，对层数控制较为困难；化学气相沉积法制备的石墨烯质量较高，但制得的石墨烯的电子性质受衬底影响很大，而且性能不如机械剥离法制得的石墨烯；氧化还原法可以得到大量单层石墨烯，然而被氧化的石墨难以完全还原，导致石墨烯某些性质的不足；碳化硅外延生长法制得的石墨烯难以从碳化硅衬底上分离开来，不能成为大量制造石墨烯的方法。

自2008年Coleman课题组采用液相剥离石墨的方法来制备石墨烯以来，液相剥离法取得了较大的发展，不仅用于制备石墨烯而且还用于制备其它的二维纳米材料(如二硫化钼、氮化硼等)。与氧化还原法相比，液相剥离法直接剥离石墨获得了高质量非氧化的单原子层石墨烯，避免了氧化还原法未彻底还原而导致石墨烯大量结构缺陷。这种方法可以被用来生产基于石墨烯的复合材料和薄膜，以及其它许多应用，例如薄膜晶体管、透明导电电极等等。

在某种有机溶剂中液相剥离石墨制备石墨烯，有机溶剂可以选择表面活性剂的水合溶液或者是某种有机纯溶剂，有机溶剂的选择主要考虑石墨烯在该种溶剂中的剥离和分散浓度最高，根据溶解原则，溶剂分子必须克服和瓦解溶质分子相互间作用力，渗入溶质分子之间和周围，同时溶剂本身分子之间的联系，也要溶质分子渗入和瓦解，因此溶剂分子间、溶质分子间以及溶剂与溶质之间的作用力必须大致相等，此时溶解度最高。由混合焓理论：

ΔHmixVmix≈2Tflake(δG-δsol)2Φ]]>

其中，AH_mix是分散体系的混合焓

V_mix是分散系的体积

δ_i是分散相的表面能的平方根

Φ是石墨烯体积分数

T_flake是石墨烯片的厚度

此时剥离石墨烯所需的能量最小，剥离石墨烯更容易。根据混合焓和汉森溶解度参数的理论：

ΔH_mix＝φ(1-φ)[(δ_D，A-δ_D，B)²+(δ_P，A-δ_P，B)²+(δ_H，A-δ_H，B)²