[发明专利]生产石墨烯基材料的方法、可获得材料及其用途

说明书

技术领域

本发明提供了一种生产石墨烯基材料的方法，即一种用于合成石墨烯基材料(具体为纳米多孔2D石墨烯)的、直接声波降解辅助的方法。该方法包括在声波降解辅助和至少一种蚀刻化合物存在的条件下，对至少一种碳化物进行蚀刻。本发明还涉及通过或可通过该方法获得的石墨烯基材料，以及该石墨烯基材料的用途。

背景技术

基本上，石墨烯是具有特殊性能的二维(2D)材料。石墨由多层石墨烯组成。石墨烯在诸如柔性电子、半导体之类的多种应用和在先进材料中作为增强剂的用途越来越受到关注。这是因为石墨烯具有多种(诸如透明、坚固、质轻)独特和有利的性能，并且由于其超高的导电性和导热性以及出众的机械性能，使其成为了一种极好的热导体和电导体。这些性能使其成为特别是在诸如传感器、晶体管、探测器、新式电池、电容器的应用中和多种其它非电子应用中具有前途的材料。

归功于可行的应用的增加，石墨烯市场快速增长，而人们对其的需求亦快速提高。一般来说，市场走向是朝向大规模生产方面变化。并且由于有机光伏(OPV)设备和有机电致发光二极管(OLED)正在进入市场，技术需求就集中于获得更低的薄层电阻。因此迫切需要适合提供大量高质量石墨烯和相关材料的方法。但是，大规模生产石墨烯成为了开发石墨烯和相关材料的瓶颈。人们开发和利用了包括由下而上和由上向下方法在内的多种合成技术以制备材料，这些材料包括一些具有不同石墨烯层、尺寸和形状的材料，这就导致所得材料具有不同质量。这些材料中的每一种都具有不同的优点和缺点。

虽然诸如将石墨或氧化石墨进行机械和化学剥离的、由上而下的常规工序实现了大规模地合成石墨烯相关的材料，但是不能充分控制石墨烯层的数量，并且虽然氧化石墨可被还原以除去功能基团，但是这不可避免地伴随着许多缺点。进一步地，那些方法经常面临着低效率的问题。例如，经由蒸汽和氧化石墨烯的金属蚀刻生产石墨烯需要许多反应步骤并且因效率低而费时，因而不适合大规模制造。特别地，由于产生的大量氧化基团和存在对材料的电子、光学和机械性能具有不利影响的缺陷，最终得到的石墨烯和石墨烯相关材料的导电性是有限的。所以，这种方法也不能满足现时的需求。干燥剥离通常费时因而也不适用于大规模生产。

进一步地，上述工序非常复杂。相比之下，可利用诸如将化学蒸汽沉积在铜箔和薄膜上的由下向上的工序来生产若干层的石墨烯薄膜。虽然这种方法可生产高质量石墨烯和相关材料，但是，由于其高耗能、高成本以及有可能影响随其产生的导电性的多种缺陷，使得大规模生产也是受限的。利用晶膜生长方法生产石墨烯也因其需要高质量基片和通常高于200℃到甚至高于1200℃的高温以及严苛条件而明显受限。

例如，US14/539,269公开了一种分别制备石墨烯和石墨烯相关材料的方法，该方法包括：在至少200℃到1200℃的温度下，将高度结晶的碳化物暴露于含卤气体中，利用酸处理衍生自随之产生的碳化物的碳以及随后还原一氧化碳。CN104843677涉及生产石墨烯相关材料的方法，其中石墨和壳聚糖和乙酸一起分散在水中。壳聚糖作为剥离的化学制品。CN103663438公开了分别生产石墨烯和石墨烯相关材料的方法，其原材料是氧化石墨，包括强酸存在下利用声波降解法将获得的氧化石墨烯分散。随之获得的产品是多孔氧化石墨烯，其需要在反应步骤中进一步被还原。很明显，这样的方法需要多个反应步骤并且费时、不环保和/或需要昂贵的材料，设备以及严苛条件或者其不能提供具有足够质量的石墨烯和相关材料。

因此，仍强烈需要可生产大量高质量石墨烯和/或适合大规模工业生产的相关材料的生产工艺，其可满足现时或将来的需要，并且对分别随之产生的石墨烯和/或相关材料有强烈需求。

发明内容

本发明的第一方面提供了生产石墨烯基材料的方法，优选地石墨烯基材料包含石墨烯片，尤其是石墨烯单分子层(2D石墨烯)该方法包括下述步骤：

(i)在反应溶剂存在条件下，提供至少一种碳化物和至少一种蚀刻化合物的混合物；

(ii)以至少一个超过15kHz的频率声波降解在步骤(i)提供的混合物，以形成石墨烯基材料。

具体地，碳化物从碳化铝、碳化铁、碳化锆、碳化钛、碳化铪、碳化钒、碳化铌、碳化钽、碳化铬、碳化钼、碳化硅或碳化钨中选出，并且金属碳化物具有至少两种从铝、铁、锆、钛、铪、钒、铌、钽、铬、钼、硅或钨中选出的元素。

蚀刻化合物具体从酸，特别是诸如盐酸、硝酸或硫酸的无机酸或碱，具体为诸如氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙或氢氧化钡的金属氢氧化物中选出。

本发明的方法中的步骤(i)具体包括下述步骤：