[发明专利]低温气相还原的高导电石墨烯材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯材料的制备技术领域，具体涉及一种低温气相还原的高导电石墨烯材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构建其它维度碳质材料(如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨)的基本单元。由于其独特的二维结构和完美的晶体结构，石墨烯蕴含了丰富而新奇的物理现象，为量子电动力学现象的研究提供了理想的平台，具有重要的理论研究价值；同时，石墨烯具有具有原子级的厚度、优异的电学性能、出色的化学稳定性和热力学稳定性，可望在高性能纳电子器件、传感器、纳米复合材料、电池及超级电容器、场发射材料等领域获得广泛应用，已成为目前凝聚态物理和材料科学研究的热点。将氧化石墨烯还原是目前低成本、宏量制备石墨烯的一个重要途径。氧化石墨烯是含有丰富含氧官能团的石墨烯衍生物，可通过化学氧化剥离廉价的石墨而得，随后通过还原处理可制成高导电性能的石墨烯。通过还原基于氧化石墨烯的各种粉体和薄膜材料可以获得宏量石墨烯和大面积石墨烯薄膜，对促进石墨烯的宏量应用具有重要的意义。然而，目前的关键是如何通过还原去除氧化石墨烯表面含氧官能团，提高其导电性。目前报道的氧化石墨烯的还原方法主要有两类：高温热处理和低温液相化学还原。这些方法通常需要引入各种化学物质、电解质、有毒气体或高温加热。高温热处理通常在1000℃以上的惰性或还原气氛中进行，还原成本较高，易造成器件性能的衰减。低温化学还原可在低于100℃的条件下进行，是一种低成本还原方法；但已报道的化学还原方法中效果最好的肼类还原剂(肼、二甲基肼等)和金属氢化物类还原剂(硼氢化钠、氢化锂铝等)的还原效果仍不理想，且肼类还原剂不仅成本高，还是剧毒物质。最新的报道(专利公开号：CN102275902A)提出了利用氢碘酸、氢溴酸等卤化物通过液相还原氧化石墨烯的方法。该方法虽然实现了氧化石墨烯在较低温度下的还原，但是，其所用还原剂稳定性和抗氧化能力差、毒性强，还原工艺操作复杂、对操作的环境要求苛刻。

因此，迫切需要开发高效、低成本、无污染的低温还原方法。

发明内容

面对现有技术存在的上述问题，本发明人意识到在低温条件下，利用无毒的固态或常用的气态还原剂，通过气相反应有效地夺取氧化石墨烯中的含氧官能团，可以实现较低温度下的快速、高效还原，制备出导电性、透光性优异的石墨烯，解决高温处理或低温液相化学还原技术易引起的环境污染、成本高、破坏石墨烯结构等问题。

在此，本发明提供一种低温气相还原的高导电石墨烯材料的制备方法，所述制备方法利用具有高温区和低温区的多温区加热设备，通过将具有氧化石墨烯的低温区和具有还原剂的高温区加热至一定的温度，还原出高导电石墨烯。

本发明在还原氧化石墨烯的整个工艺过程中不涉及任何强酸、强碱等化学试剂，且石墨烯样品端反应温度很低，有效地保持石墨烯的完整结构。解决了现有高温热处理或低温化学还原方法破坏石墨烯材料结构的瓶颈问题。

优选地，将所述低温区加热至50-500℃，将所述高温区加热至400-1200℃。更优选地将所述低温区加热至80-300℃，将所述高温区加热至600-1000℃。

本发明中，优选地可以在所述加热之前先抽取本底真空至0.5Pa-10Pa，并密封。

优选地，还可以在所述加热之后使保温30-600min，之后再冷却至室温。

本发明的加热设备例如可以使用加热炉。

所述还原剂可以是包括碱金属、碱土金属、稀土金属、过渡金属类的金属单质，非金属单质，氢化物，或含低价金属离子的化合物，也可以是含有较低化合价元素的化合物。

所述碱金属的金属单质可以是K、Na、Li，碱土金属的金属单质可以是Mg、Ca、Sr、Ba，过渡金属的金属单质可以是Sc、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Zn、Y、Zr、Nb、Ta、Mo、W，A。

所述非金属单质可以是H₂、B、C、Si。

所述氢化物以M/H表示，其中M为碱金属、碱土金属或稀土，H为氢原子。

所述含低价金属离子的化合物可以是FeCl₂，SnCl₂等或其组合。

含有较低化合价元素的化合物可以是H₂S、NaxS、HI、NH₃、CO、SO₂、Na₂SO₃或其几种组合。

此外，可取以上的一种或几种同时作为本发明制备方法中的还原剂使用。