[发明专利]一种规模化粉碎制备大片径石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料加工领域，具体涉及一种规模化粉碎制备大片径石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是由一层碳原子组成的平面碳纳米材料，是目前已知最薄的二维材料，其厚度仅为0.335nm，它由六方的晶格组成。石墨烯中的碳原子之间由σ键连接，赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。而且，在石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的p电子，这些p电子可以在晶体中自由移动，且运动速度高达光速的1/300，赋予了石墨烯良好的导电性。在光学方面，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。石墨烯具有奇特的力学、光学和电学性质，石墨烯拥有十分广阔的发展前景。

石墨烯的制备方法主要包括化学气相沉积法、氧化插层再还原法、液相剥离法、机械剥离法。其中化学气相沉积法可以获得高质量的石墨烯，然而产率低，对衬底要求高，转移存在极大的困难；氧化插层再还原法可以实现批量生产石墨烯，但是由于氧化过程中石墨烯的结构遭到破坏，难以得到高质量的石墨烯产品；液相剥离法是在合适的溶剂中，利用超声能量对石墨片层进行解离，然而，溶剂剥离法制备石墨烯存在难以去除残留溶剂的问题，而且溶剂剥离产率一般很低。相比之下，机械物理剥离法是一种能以低成本制备出高质量石墨烯的简单易行的方法。但是，机械剥离法制备的石墨烯尺寸通常较小，因此大尺寸石墨烯的制备成为研究热点。

中国发明专利申请号201210292680.X公开了一种大尺寸单晶石墨烯的制备方法，其特征是在800℃以上的环境中，通过调节有机气体、氢气和惰性气体的流速及流量场的分布在金属表面制备出大尺寸单晶石墨烯；所述有机气体包括：烷烃，烯烃、炔烃、芳香烃等含碳气体；所述金属表面包括：铜、铂等金属表面；所述流量场包括：各种气体的流速、流动方向以及气压；热处理时的环境气压为常压，时间在20min-40min；所述生长时的环境气压在1 Pa-300 Pa 之间，时间在1 min-2h。但是，这种方法使用金属高温还原有机气体，得到活性炭 原子，采用贵金属作为生长衬底，成本昂贵，保持在高温下生长薄膜，对设备仪器要求高，不适合大规模生产。

中国发明专利申请号201510128458.X 公开了一种制备大尺寸高质量石墨烯单晶的装置及方法。该装置包括：壳体和顶盖，顶盖内设带布气管的气体喷头，使进入的高纯气体均匀分布进入反应腔体；反应腔体由密封石英管、插接在两段密封石英管中间的石墨发热体、放置在石墨发热体内部的石墨坩埚组成，石墨坩埚用于放置 SiC 晶片衬底；石墨发热体外有冷却水系统、中频线圈；壳体底部有出气口。本发明还提供利用该装置在 SiC 衬底上制备大尺寸高质量石墨烯单晶的方法。采用本装置及生长方法，在 SiC 衬底上制得高质量的石墨烯晶体，其迁移率比 SiC高温热解方法制备的石墨烯提高近 1 ～ 2 个数量级。但是，这种方法的主要设计思路还是从SiC高温热解的方法，从获得碳原子出发，重新排列碳原子获得石墨烯，采用高纯氢气和高温环境下分解反应，设备成本高，设备工作期间危险性大。

中国发明专利申请号200910187298.0公开了一种大尺寸石墨烯的制备方法，适用于大尺寸石墨烯的宏量制备。该方法包括：(1)采用大尺寸石墨为原料，利用改性 Hummers 方法对石墨原料进行弱氧化；(2) 采用弱超声或振荡方法将分散在水中的氧化石墨进行温和剥离，获得氧化石墨烯；(3)采用多次离心方法，通过控制离心转速和离心时间将氧化石墨烯分离，得到均匀的大尺寸氧化石墨烯；(4)将氧化石墨烯沉积在基体上，利用肼或水合肼还原，得到高质量、大尺寸石墨烯。采用本发明获得大尺寸的石墨烯，最大面积可达3× 10⁴μm²，为石墨烯在透明导电膜、显示器和太阳能电池电极、气体传感器、光电转换器、薄膜电子器件等柔性光电功能薄膜领域的应用奠定了基础。虽然这种方法避免了之前的高温状态和高危气体的使用，但是，该方法中使用大尺寸石墨作为原料对石墨烯的尺寸就存在限制，无法获得能够直接应用大尺寸的石墨烯薄膜。该方法的还原剂为有毒的肼或水合肼，不仅生产成本高，而且对环境污染，影响操作工人的身体健康。