[发明专利]一种石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯的制备方法，属于石墨烯的制备领域。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角形呈蜂巢晶格的仅有一个碳原子厚度的独特的单层二维晶体。石墨烯可以看成是碳原子间通过共价键形成的原子网络，被认为是平面多环芳香烃原子晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出一直被认为是假设性的，无法单独稳定存在的石墨烯，两人也因在“二维石墨烯材料的开创性实验”研究，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯中碳原子间键长为具有稳定的晶格结构，原子间的连接很柔韧，这种结构使石墨烯具有优异的物理性能，比如高导电性、高比表面积、高机械强度等。同时，石墨烯面内和边缘也容易发生化学反应，易于修饰和制备石墨烯复合材料。石墨烯在很多方面都具有超越现有材料的特性。石墨烯或将成为可实现高速晶体管、高灵敏度传感器、激光器、触摸面板、蓄电池及高效太阳能电池等多种新一代器件的核心材料，它的出现有望引发从构造材料到用于电子器件的功能材料等广泛领域的材料革命。

要实现石墨烯非凡的物理性能在材料中的潜在应用，离不开高质量、低成本、大规模石墨烯的制备。目前制备石墨烯的方法主要有：化学气相沉积(CVD)法、碳化硅表面外延生长法、基于有机小分子的化学合成法、微机械剥离法、有机小分子液相分散法和石墨氧化还原法等。使用化学气相沉积(CVD)法可实现可控制备石墨烯，CVD法是将平面衬底(如金属薄膜)置于高温可分解的前驱体(如甲烷、乙烷、乙烯等)气氛中，通过高温退火使碳原子沉积在衬底表面形成石墨烯，再通过转移可得到独立的石墨烯片。CVD法的优点是可以制备较大面积的石墨烯片；缺点是产量较低，难以实现大规模制备。碳化硅表面外延生长法是通过加热单晶碳化硅使之温度升高至1250～1450°C后恒温1～20分钟，在单晶(0001)面上形成极薄的石墨烯层。石墨烯厚度由温度决定，制备大面积单一厚度的石墨烯比较困难。从结构上来看，石墨烯可以看成是平面多环芳香烃，基于这一结构特点，可以选择合适的有机小分子前驱体，通过化学合成法制备石墨烯纳米带、纳米石墨烯和石墨烯量子点。微机械剥离法是采用离子束对高取向热分解石墨表面刻蚀，通过机械力对石墨表面进行剥离制备石墨烯。由于制备工艺复杂，制备得到的石墨烯产率低，不能满足工业化需求。石墨烯层间通过范德华力相互作用形成石墨，有机小分子液相分散法就是选择合适的有机溶剂小分子插入到石墨层间，减弱层间的相互作用，再通过超声等外力作用剥离出石墨烯片。石墨氧化还原法是用强氧化剂氧化石墨，得到边缘含有羧基、羟基，层间含有环氧基及羰基等含氧基团的石墨氧化物，进一步还原石墨氧化物可制备得到石墨烯。这种方法制备的石墨烯是独立的单层石墨烯片，成本低、产量高。但是氧化过程会破坏石墨烯的结构，还原后难以完全恢复石墨烯的结构，导致其一些物理、化学性能，尤其是导电性能的损失。目前，石墨烯的制备仍然是这一领域的难题。

我们发明的以六卤代苯为原料利用化学合成直接制备石墨烯的便捷方法，可以制备出大面积的石墨烯薄膜材料。利用现有的半导体加工技术可以对石墨烯薄膜材料进行剪裁修饰，使得该发明对石墨烯的合成及制备得到的石墨烯薄膜在微电子领域的应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯的制备方法，该方法仅使用一种有机化合物，利用有机化学合成的方法在卤化亚铜或非活泼金属粉末作为催化剂的条件下直接合成石墨烯，并根据反应的温度不同，可以控制石墨烯的层数，即随着反应温度的升高石墨烯的层数增加。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

（1）在催化剂存在下，六卤代苯在有机溶剂中发生反应，形成石墨烯的悬浮溶液；

（2）然后经过滤、洗涤和干燥除去悬浮溶液中的溶剂和未反应的六卤代苯，得到石墨烯和催化剂的混合物；

（3）然后经酸洗后再过滤、洗涤和干燥，即得到石墨烯产品。

其中，

步骤（1）中所述六卤代苯选自六氯苯、六溴苯和六碘苯；优选为六溴苯。

步骤（1）中所述催化剂选自溴化亚铜、碘化亚铜、铜粉、铁粉和镍粉；优选为溴化亚铜。

步骤（1）中所述有机溶剂选自苯、甲苯、二甲苯、苯甲醚、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)；优选为甲苯。

优选的，步骤（1）中所述反应在惰性气体气氛保护下进行；所述惰性气体选自高纯氮气或高纯氩气。