[发明专利]石墨烯片及其制造方法

说明书

发明领域

本发明涉及石墨烯片及其制造方法。

发明背景

石墨烯是一种包含以六边形结构的形式(典型地通过sp2键)键合在一起的碳原子的单层的分子。石墨烯具有许多令人希望的热和机械特性，包括高热导率(5,000W/mK)、室温下的高电子载流量(250,000cm³/Vs)、高拉伸强度、以及高机械稳定性，具有1TPa的杨氏模量。石墨烯的这些特性使其在很多应用中有用，如传感器、电池、超级电容器、氢存储系统以及作为纳米复合材料的增强填充剂。

石墨烯片可以是处于单层或多层石墨烯的形式，但是目前用于制造石墨烯片的方法是有限的。

现有的用于制备石墨烯片的方法包括，化学气相沉积(CVD)到一种金属(即箔)衬底上、化学剥离、石墨的机械剥离、外延生长、碳纳米管切割以及直接超声处理。这些方法都具有它们自己的优点和缺点，特别是关于成本和可扩展性。目前的方法要求大量的过滤、化学分离过程、化学侵蚀过程以及其他环境上不清洁的步骤来产生一种功能性材料。

此外这些方法不能很好地适合于大规模生产。

发明概述

本发明总体上涉及提供一种可以容易地扩大以生产石墨烯片的简化的方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于制造石墨烯片的方法，该方法包括：

将一种石墨烯或氧化石墨溶液施用到一种蓝钢衬底上；以及

将该溶液干燥以在该衬底上形成石墨烯片。

如在此所使用的术语“石墨烯片”或“氧化石墨烯片”可以包括具有彼此共价键合的芳香族多环碳原子的单层的分子。术语“石墨烯片”或“氧化石墨烯片”还包括其中若干(即二、三、四、五至十、一至二十、一至五十、或一至一百)个碳原子单层堆叠在彼此顶部而不恢复回碳的分子。因此，如在此所使用的术语“石墨烯片”或“氧化石墨烯片”是指单层芳香族多环碳以及多个这种层堆叠在彼此之上。

该方法可用于形成单层或多层片。优选地石墨烯片包括一至一百层碳原子。更优选地石墨烯片包括一至二十层，更优选地一至二十层，更优选地二至十层。特别优选的片具有2、3、4或5层碳原子。

由本发明的方法形成的示例性石墨烯片可以包括在1与30个之间的原子层。这种片具有约1nm至约100nm的相应厚度。优选地这些片可以具有1至50nm的厚度并且更优选地2至10nm的厚度。特别优选的片具有2nm、3nm、4nm或5nm的厚度。所形成的片的厚度可以取决于这些片包括的层数。

在本发明的一个实施例中石墨烯片是单层片。优选地该片具有约1nm的厚度。已经报道了不同厚度的单层石墨烯，范围从0.35nm至1nm(Nemes-Incze等人，2008年，碳(Carbon)，46(11)卷：1435-1442页)。诸位发明人已经测量了石墨烯片为每层1nm。

在另一个实施例中该石墨烯片是多层片。虽然在技术上没有限制可以堆叠的石墨烯片的数目，在实践中会到达某一个点其中石墨烯堆叠使石墨烯恢复回石墨。优选地该多层片具有不导致恢复回石墨的厚度。优选地该多层片可以具有最高达100纳米的厚度。

由该方法生产的片的厚度可以变化。改变片厚度的方法包括当使用液滴流延技术来施用溶液时控制施用到蓝钢衬底上的溶液的小液滴尺寸的形成和/或控制在溶液中的氧化石墨的浓度。小液滴尺寸可以使用溶液密度、针尺寸和形状(取决于分配设备)、成形的和调谐的电场及其组合来控制。为达到2至3原子层厚度，优选的浓度为每100ml的H₂O约2mg的石墨烯或氧化石墨。为达到更厚的层，将溶液调节为每100ml的H₂O在3mg至6mg之间的石墨烯或氧化石墨烯。实验表明为达到单原子层将要求每100ml的H₂O，0.1至1.5mg的石墨烯或氧化石墨烯。

不希望被任何特定理论所束缚，诸位发明人相信使用蓝钢作为金属衬底在其上形成石墨烯片有助于在该衬底上形成的片的释放。蓝钢是一种包括镍和铬的钢合金并且具有一种球化的碳结构并且是从多家制造商(包括JFE)可商购的。蓝钢在US 8,071,018和US 8,052,812中进一步描述，其内容通过引用结合在此。

石墨烯或氧化石墨溶液可以通过任何适合的方法来制备。制备的溶液可以取决于所希望的石墨烯片的功能性、处理这些片所要求的时间、以及在石墨烯片与蓝钢衬底(在其上制备石墨烯片)之间的表面张力。