[发明专利]一种石墨烯的制备方法及其制备得到的石墨烯

说明书

技术领域

本发明涉及材料制备方法，并且更特别地，涉及一种石墨烯的制备方法，以及利用该方法制备的到的石墨烯。

背景技术

石墨烯是一种只有一个碳原子层厚度的片状二维材料。石墨烯的晶格中包含六个sp²杂化的碳原子，晶格结构使与苯环类似的平面正六边形。由于石墨烯的特殊晶格结构以及其独特的二位结构，石墨烯具有卓越的电学、热学和机械性能，例如石墨烯的室温下的载流子迁移率可以达到15000cm²/V.s,其导热系数高达5000Wm^-1K^-1,其杨氏模量达到1.06TPa。另外，石墨烯还具有远高于其他碳材料和一些普通金属材料的理论比表面积2600m²/g)和电导率(7200S/m)。这些优异的性能使得石墨烯在能源化工、光电器件、传感器和生物技术等多方面都有广阔的应用前景。

要充分利用石墨稀的奇异性质，首先要解决的问题是如何大规模地制备出单层或者多层且具有可加工性能的石墨烯，这是目前制约石墨烯广泛工业化应用的一个重要因素。制备石墨烯的方法大致有两几类：机械法和化学法。机械方法主要有机械剥离法和外延生长法等方法；化学方法主要有化学气相沉积法与氧化还原法等等方法。

机械剥离法首先在2004年被提出，其主要是利用胶带反复撕解热裂解高取向石墨,再将粘有石墨烯的胶带在有机溶剂丙酮中超声分散,最后用硅片将分散在丙酮中的石墨烯捞出,从而获得大片单层石墨烯。由于用机械剥离法得到的石墨烯在光学和电子学上非常透彻，便于石墨稀本征性质和其他物理性能的基础研究，所以对于制备大片层的高质量石墨烯，微机剥离法仍是目前为止最常用的途径之一。然而,该方法得到的石墨烯产率非常低，且对石墨烯片层的厚度、形状以及尺寸的可控性较差。因此这种方法不可能大规模量产石墨烯，制约了其工业化方向的推广。

外延生长法是利用高温(1300℃)条件，升华单晶碳化硅片(SiC)表面的硅原子，余下的碳原子在表面重新排列形成石墨烯片层。通过控制生长条件，可以得到高载流子迁移率(可达到5000cm^-1V^-1s^-1)、且具有不同重构方式和不同几何形状的石墨烯。但是这种方法生产成本太高，制备出的石墨烯片层数和厚度波动较大,且不同极性的碳化硅基底对石墨烯的物性影响很大,所以仍有许多物理问题和生长机制没有解决,无法实现工业化的应用要求。

化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)法，是指反应物在气态条件下发生化学反应，在衬底或者催化剂的表面生成固态沉积物，从而制备所需固体材料的一种方法，这种方法被大量地应用于半导体薄膜材料的制备。化学气相沉积法制备石墨烯通常都采用甲烷作为碳源，氢气和氩气作为载气，在金属催化剂基体上进行沉积生长石墨烯。虽然化学气相沉积法制备的石墨烯的电导率通常都要高于化学还原法制备的石墨烯，但是该方法基底的种类、基底的品质(如厚度、表面平整度等)要求较高，实验温度、时间等也会对样品的质量产生影响。总的来说，CVD法对操作要求十分苛刻,成本也相对昂贵，这些都限制了石墨烯在工业上作为大规模通用材料的应用。

氧化还原法是目前产率最高的也是最常用的一种石墨烯制备方法。其原理是利用强氧化剂对石墨进行氧化反应,使石墨表面带有大量羟基、羧基、环氧基、羰基等含氧官能团，氧化反应后得到的氧化石墨亲水性高,层间距离也从0.34nm扩大到0.78nm左右，能够在溶液中均匀分散形成单片层的氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)。随后对氧化石墨烯进行热或者化学还原,使氧化石墨烯表面的含氧官能团除去,最终得到石墨烯。虽然氧化还原法的原料丰富、生产成本低、产量大、操作工艺及设备相对简单，但是由于氧化反应引入了大量官能团，其制备得到的石墨烯片层的表面和边缘会形成许多缺陷,这将造成产物的石墨烯导电性能下降。

如何能够在保证产率的同时制备高质量的石墨烯仍然是本领域技术人员亟需解决的技术难题。

发明内容

为了解决现有技术无法兼顾石墨烯制备方法的产率和石墨烯质量的问题，本发明的目的是提供一种石墨烯的制备方法，通过高频电磁场搅动水分子摩擦石墨板这种物理过程大量制备性能较优异的石墨烯。

为了实现上述目的，本发明提供了一种石墨烯的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

(1)将高纯石墨电极锻压制成石墨板；

(2)向制备槽通入纯净水，将制成的石墨板浸入制备槽的纯净水中；

(3)将石墨板作为电极向其施加9MHz以上的高频电磁震荡；