[发明专利]一种制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯材料是第一个稳定存在的二维晶体，作为零维富勒烯、一维碳纳米管和三维石墨的结构基础，具有独特的机械、电学、光学和热学性能，在纳米电子学、复合材料、透明导电薄膜和能量储存等领域具有广泛的应用前景。自从2004年曼彻斯特大学的科斯提亚·诺沃谢夫和安德烈·盖姆小组发现石墨烯以来，许多物理、化学方法被用来制备高质量的石墨烯材料。这些方法包括机械剥离法、碳化硅外延生长法、氧化石墨还原法、超声辅助分散法、溶剂热法、化学气相沉积法和有机合成法(K.S.Novoselov，A.K.Geim，Science2004，306，666.；C.Berger，Z.Song，X.Li，Science2006，312，1191.；V.C.Tung，M.J.Allen，Nat.Nanotechnol.2009，4，25.；Y.Hernandez，V.Nicolosi，Nat.Nanotechnol.2008，3，563.；K.S.Kim，Y.Zhao，Nature2009，457，706.；X.Li，W.Cai，Science2009，324，1312；M.Choucair，P.Thordarson，Nature Nanotech.2009，4，30.J.Cai，P.Ruffieux，Nature2010，466，470.)。机械剥离法和外延生长法主要被用于实验室内制备高质量的石墨烯样品，然而产量很低。氧化石墨还原法可以化学制备大量的石墨烯样品，在一定程度上满足工业应用要求，然而由于氧化剂的引入，破坏了石墨烯的共轭结构。尽管化学还原和高温热处理能够在一定程度上恢复石墨烯的共轭结构，然而石墨烯的固有电学性能大大降低。化学气相沉积法由于其制备的石墨烯质量高、可控操作性强、大规模等优点一直被认为是最具潜力的石墨烯制备方法。最近人们发现通过化学气相沉积法可以对石墨烯进行控制生长，包括：形貌、尺寸、均一性、层数及堆叠方式等，这极大地开拓了石墨烯的应用前景。

目前在化学气相沉积法制备石墨烯的过程中所涉及到的碳源一般包括气、液、固态碳氢化合物例如甲烷、乙炔、乙醇、聚甲基丙烯酸酯和樟脑丸等，利用高温分解实现石墨烯的化学气相沉积生长。然而这些碳源在使用过程中存在可燃、毒性等一些安全隐患，不符合绿色化学以及大规模工业化生产的要求。因此如何寻求高效、环境友好型的碳源来实现石墨烯制备是石墨烯领域中乃至整个绿色化学的研究热点。另外，二氧化碳(CO₂)是主要的温室气体，是碳氢化合物燃烧的最终产物，性质极为稳定，不易活化。但是二氧化碳的可再生能源应用例如催化剂还原制备天然气等技术一直也是研究的热点。如果我们能够结合这两个方面，利用还原CO₂活化技术进而制备石墨烯，这或将为实现石墨烯大规模工业化制备开辟一条林荫大道。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备石墨烯的方法。

本发明提供的制备石墨烯的方法，包括如下步骤：

1)将载有甲烷化催化剂的石英舟和衬底沿着气体流通的方向依次放置，二者位于同一平面，再将所述石英管放入电炉中，使所述衬底对准所述电炉的中心，通入氢气后加热，使所述电炉中心的温度为800-1050℃时，保持稳定退火10-60分钟；

2)保持所述步骤1)中电炉中心区域的温度不变，将所述载有甲烷化催化剂的石英舟加热至温度为50～300℃后，向所述石英管中充入碳源和氢气进行化学气相沉积，在所述衬底上生长石墨烯，沉积完毕后通入氩气和氢气的混合气冷却后，在所述衬底上得到所述石墨烯。

上述方法的步骤1)中，所述甲烷化催化剂具体为Ni/Al₂O₃型甲烷化催化剂，可由公开商业途径购买得到，如可购自北京凯特里斯科技有限公司，产品规格为N1118；催化剂的用量与最终转化的碳源量有关，甲烷化催化剂的用量越多，催化得到的活性碳源也就越多；