[发明专利]石墨烯合成

说明书

本发明涉及制备高品质石墨烯的方法。具体地讲，本发明涉及可用可再生生物质作为碳源在周围空气或真空环境进行的单步骤热方法。具体地讲，本发明包括将金属基材和碳源在密封周围环境加热到从碳源产生碳蒸气使得蒸气与金属基材接触的温度，保持该温度至足以形成石墨烯晶格的时间，然后以可控的速率冷却基材，以形成沉积石墨烯。

发明领域

本发明涉及制备高品质石墨烯的方法。具体地讲，本发明涉及可用可再生生物质作为碳源在周围空气或真空环境进行的单步骤热方法。

背景技术

石墨烯显示独特的电子、光学、化学和机械性质。由于其极高电子迁移率(电子移动通过石墨烯比硅快100倍)、在可见光谱很低吸收和相对柔性和弹性(与无机物质比较，如氧化铟锡)，负载的水平石墨烯作为活性功能材料正变革很多领域。例如，石墨烯潜在可用于柔性、透明耐磨电子器件、能量储存装置(例如，燃料电池、超级电容器、光伏器件、锂离子电池等)、诊断和治疗用装置(例如，生物传感器、生物电子器件、药物输送)、水净化(例如，使用点过滤膜)和催化(例如，用于促进析氢反应)。控制石墨烯中缺陷含量、微结构和表面化学性质对石墨烯在这些应用中的潜力最大化至关重要。

石墨烯可通过多种方法制备。到目前为止，已有少数通用方法针对大批量生产对广泛商业用途重要的石墨烯，最值得注意的是：

• 机械研磨石墨，并在溶液中分散，随后自组装。

• SiC的热石墨化。

• 化学气相沉积(CVD)于金属基材上。

在这三种方法中，在金属基材上CVD是最有希望的，因为其产生足够高品质的石墨烯膜，以允许更充分实现石墨烯的潜力。CVD也允许卷到卷(roll-to-roll)石墨烯合成。

制备的石墨烯的品质对其作为高性能材料的能力至关重要。高品质石墨烯相对于理想完美规则sp²碳膜具有最少数量的缺陷，也很薄，即，制备的本体材料包含尽可能少的碳原子层。

石墨烯的品质可在其电子和光学性能方面定量表示。低缺陷数量导致很低的膜电阻，一般可在约200Ω/sq。石墨烯中的缺陷可减少平面内电荷载体传输，这损害有效场发射、超快传感和基于纳米电子器件的装置所需的有希望性质。

超薄膜，例如，只有一、二或三个碳原子层的那些膜，非常透明，并具有可用于光学显示器的高达97%的透射率。

较厚的膜和其它形式石墨烯(例如，晶粒和涂层)可用于其它情况，如催化和过滤。非常期望控制生长的石墨烯厚度的能力。

然而，在金属基材上CVD有一些固有限制。CVD设备本身复杂且昂贵。CVD消耗很大量电力，且像目前使用的其它热方法一样，需要低压真空环境。这意味着存在与CVD相关的相当大的资本成本和持续运行成本。同时，真空设备成本随真空室大小呈指数增加，这限制制造商以成本有效方式放大工艺的能力。

CVD也需要使用昂贵的高纯化原料气。对基材钝化使用例如氢气的气体和用甲烷和乙烯作为碳源气体也意味着同样需要实施另外的危险保护。

CVD也需要小时级的相对较长时间范围进行生长、退火和冷却步骤。这种内在需求意味着CVD不容易适用于快速大批量生产价格实惠的石墨烯。

对石墨烯新方法的探索是工作很活跃的领域，很多研究者正研究安全、廉价和适于放大的高品质石墨烯的合成路线。

例如，US8470400公开从在低压环境进行的化学气相沉积合成石墨烯。然而，像常规方法一样，在US 8470400中公开的方法需要使用纯化气体、高温和长处理时间。

WO2013036272公开结晶石墨烯及其制备方法。这种方法包括很高温度和长处理时间。它使用多个处理阶段，并且需要苛性化学物质和处理环境。