[发明专利]石墨烯、制备石墨烯的方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有特定氧含量的石墨烯，以及一种制备该石墨烯的方法及设备。更具体而言，本发明涉及一种石墨烯，其具有在预定范围内或更小的氧原子含量以及在预定范围内的碳/氧重量比，从而显示出优异的导电性和导热性以及阻隔性。本发明还涉及一种通过使用亚临界状态流体或超临界状态流体制备具有优异的导电性和导热性以及阻隔性的石墨烯的方法和设备。

本申请要求享有于2013年8月21日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2013-0099287号的权益，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

石墨烯是一种作为天然存在于自然界的三维结构碳同素异形体的石墨的碳原子排列成二维片材形式的六边形平面结构的材料。石墨烯的碳原子形成SP²键，并具有单原子厚度的平面片材形式。

石墨烯具有显著优异的导电性和导热性，并且物理性能(如优良的机械强度、柔软性、弹性、取决于厚度的量子化透明度、高比表面积等等)可以通过存在于石墨烯中的原子的特定键合结构来解释。构成石墨烯的碳的四个外围电子中的三个形成sp²杂化轨道从而具有σ键，而剩下的一个电子和周围碳原子形成一个π键，以提供一个六边形二维结构。因此，石墨烯具有不同于其它碳同素异形体的能带结构，并且不具有带隙(band gap)从而表现出优异的导电性；然而，石墨烯是一种半金属材料，其中电子的费米能级态密度是0，并且因此，取决于它是否被掺杂，可以容易地改变电特性。

相应地，由于石墨烯可以被广泛应用于汽车、能源、航空、建筑、制药和钢铁领域，以及各种电气电子领域，诸如新一代材料、电容器、电磁屏蔽材料、传感器、显示器等，其可取代硅电气电子材料，因此在各种领域中应用石墨烯的技术已有诸多研究在进行。

作为制备石墨烯的方法，已研究了利用胶带从石墨片剥离石墨烯单层的胶带法或剥离法、化学气相沉积法、通过层叠在碳化硅基底(SiC)上的外延生长法、通过使用加热方式剥离石墨的热剥离法、化学氧化和还原法等等。

在这些方法中，化学氧化和还原法的优点是可以大规模生产，提供经济上的可行性，并且可以容易地向石墨烯片中引入各种官能团。但该方法中，需要使用还原剂(如联氨等)用于石墨烯氧化物的脱氧反应，其中这些还原剂的大多数由于高腐蚀性、爆炸性、人体毒性等而是危险的，且所制备的石墨烯可能包括杂质等，使得导电性可能降低。

由上可知，仍需要进行特别是采用经济、高效和低风险的工序制备具有优异物理性能(如导电性等)的石墨烯的方法的研究。

相关技术文献

专利文献韩国专利公开第1,254,173号。

发明内容

[技术问题]

本发明致力于提供一种具有优异物理特性(如导电性、导热性、阻隔性等)的石墨烯。

另外，本发明致力于提供一种特别是通过经济、高效及低风险的工序用于制备石墨烯的方法及设备，所述石墨烯具有优异的物理特性，如导电性等。

[技术方案]

本发明的一个例示性的实施方式提供了具有20重量％或更少的氧含量以及5或更多的碳/氧重量比(C/O比)的石墨烯。

此外，本发明另一个例示性的实施方式提供了一种制备石墨烯的方法，该方法包括：形成混合溶液，所述混合溶液含有石墨氧化物、溶剂、第一氧化剂、和硫化合物或氮化合物；通过使该混合溶液在所述溶剂的亚临界条件或超临界条件下反应来形成石墨烯；以及回收该石墨烯。

此外，本发明另一个例示性的实施方式提供了一种制备石墨烯的设备，该设备包括：混合槽，其通过混合石墨氧化物、溶剂、和硫化合物或氮化合物以形成预混溶液；第一氧化剂送料泵，其供应第一氧化剂；预热器，其预热分别由所述混合槽和所述第一氧化剂送料泵供应的所述预混溶液以及所述第一氧化剂；反应器，其连接至所述预热器的后端，且使含有所述预混溶液和所述第一氧化剂的混合溶液在该溶剂的亚临界条件或超临界条件下发生反应；冷却器，其连接到所述反应器的后端并且冷却所述反应的产物；以及回收槽，其连接至所述冷却器的后端并且从所述产物回收所述石墨烯。

[发明的有益效果]

本发明的石墨烯具有在预定范围内或更小的氧原子含量和在特定范围内的碳/氧重量比从而显示出优良的导电性。