[发明专利]一种用CO2直接合成石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纳米材料制备技术领域，涉及一种以CO₂为碳源，无需外加催化剂对CO₂进行活化，也不需要主加热装置以外的其他加热设备的CVD合成石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种新型二维结构碳材料，它是Novoselov等人于2004年首先由实验室制得并报道的(Novoselov K S,et al.science,2004,306，666.)。石墨烯具有优良的电学、光学和机械性能(Geim A K.science,2009,324，1530.)。这使得它在许多高科技领域都有广阔的应用前景，这也使得石墨烯的制备成为近期研究的热点。

石墨烯的性质研究和应用有赖于它的廉价规模化制备。自从石墨烯首次被胶带剥离法制备得到以来，制备石墨烯的新方法不断涌现，比如：机械剥离法、氧化还原法、加热SiC法、化学气相沉积法等。其中机械剥离法得到的石墨烯质量最好，可是其产量却很少，而且面积较小，无法满足需求量(Novoselov K S,et al.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.,2005,102，10451.)；化学还原氧化石墨烯则可以实现石墨烯的量化生产，但是生产的石墨烯大小和层数不一，而且含有较多的杂化基团，石墨烯的物理性质较差(Stankovich S,et al.Carbon,2007,45，1558；Park S,Ruoff R S.Nat.Nanotechnol.2009,4，217.)；加热SiC法虽然也实现了石墨烯的高品质合成，但是该方法合成的石墨烯却很难实现转移(Berger C,et al.Science,2006,312，1191.)；化学气相沉积(CVD)法则不仅可以实现石墨烯的大面积、高品质合成，而且可以使其实现较容易地转移，因此该方法是目前最具批量化生产前景的方法(Li X,et al.Science,2009,324，1312；Hu B,et al.Carbon,2012,50，57.)。

目前，化学气相沉积法合成石墨烯的研究取得了丰硕的成果，其中以铜为催化基底、以甲烷为碳源合成石墨烯的相关研究最为成熟，它实现了石墨烯从微纳米尺寸的石墨烯岛(Chen S,et al.Adv.Mater.,2013,25，2062.)到几十英寸的石墨烯膜的合成(Bae S,et al.Nat.Nanotechnol.,2010,5,574.)。但是甲烷本身是一种是重要的能源材料，高纯度甲烷制备工艺复杂，用作大批量合成石墨烯的碳源是一种资源浪费，而且甲烷具有可燃性，属于危险品，这相对增加了石墨烯的CVD批量化合成工艺的成本。CO₂作为温室气体，具有不可燃、来源广泛的特点，以它为碳源既可以为温室气体找到合理利用途径，又可以为CVD合成石墨烯节省成本，因而CO₂有成为CVD合成石墨烯的新碳源的潜力。目前用CO₂作为碳源CVD合成石墨烯没有被广泛应用主要是其合成方法较为繁琐，甚至需要额外的催化剂和加热装置对CO₂进行活化(Luo B,et al.J.Mater.Chem.C,2013,1,2990.)，使得生产成本提高，而直接利用CO₂的CVD方法合成石墨烯还未见报道。

发明内容

为了简化CO₂作为碳源CVD合成石墨烯的工艺流程，降低成本，本发明提供一种工艺简单、成本低廉的利用CO₂在常压条件下，利用CVD过程直接合成石墨烯的新方法。该发明整个合成过程中无需其他催化剂，而且除了主加热装置以外不需要其他的加热设备。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：将金属催化基底置于带有磁石手柄的石英托盘上，随后将该石英托盘送入管式炉中，上好管式炉两侧法兰，打开混气系统并依次调节CVD中所需要的气体流量，然后在载气保护下，调节控温装置，先将管式炉升温到一个相对较低的温度，通入一定量CO₂使其和还原性载气反应生成碳，然后在通入载气的情况下升高至一个相对较高的温度退火，待退火结束后，利用磁石将放在带有磁石手柄的石英托盘上的样品拉出反应室外降温(或留在反应室内通过控制程序来控制降温速度)，待冷却至室温后，取出金属基底，金属表面催化合成石墨烯的CVD过程即结束。

本发明的有益效果是，过程中不需要金属催化基底以外的其他催化剂或者能使CO₂提前活化地物质，而且不需要主加热装置以外的其他加热装置，这种方法可操作简单，适合推广。