[发明专利]石墨烯的制造

说明书

本发明提出一种用于制造石墨烯颗粒及薄片的高质量石墨烯合成方法。可对该石墨烯进行设计的性质包括尺寸、纵深比率、边缘清晰度、表面功能化及控制层数。与现有方法比较，在终端石墨烯产物中找到较少缺陷。本发明的石墨烯制造方法比现有方法具有较少侵蚀性、较低成本及更加环境友善。此方法可应用至实验室规模及大量制造二者来制造高质量石墨烯薄片。

技术领域

本发明概括而言涉及一种制造高质量石墨烯的方法。该方法特别合适于制造出经设计的石墨烯颗粒及薄片。

背景技术

石墨烯是已经研究过最令人兴奋的材料之一，这不仅由于其强烈的学术兴趣而且还考虑到其潜在应用。石墨烯是全部石墨形式——包括0-D：巴克球、1-D：碳纳米管及3-D：石墨——的“根源”。即使碳纳米管通过卷绕石墨烯薄片而形成，碳纳米管与石墨烯的电子及拉曼光谱明显不同。石墨烯具有与碳纳米管明显不同的物理性质，诸如导电性、导热度及机械强度。石墨烯具有迷人的性质，诸如在室温下异常的量子Hall效应、与电荷载体的弹道传导(ballistic conduction)一起的双极电场效应、可调整的能带隙及高弹性。对高质量石墨烯的制造来说，缺乏合适的环境上无害的、大量或“巨量(bulk)”制造方法限制了将石墨烯使用在商业应用中。

传统上，石墨烯被定义为单层二维材料，但是具有多于二但是少于十层的双层石墨烯也被视为“少数层石墨烯”(FLG)。FLG经常具体化为石墨层的2D堆栈，若有多于十层时，其开始表现得像石墨。使用通过微机械切割或化学气相沉积(CVD)所获得的单层原始石墨烯进行大部分的石墨烯物理性质研究。但是，使用这些方法制造出大量石墨烯仍然是一项挑战性的工作。

数个非限制性石墨烯应用包括作为在聚合物复合物、互连应用、透明导体、能量采集及储存应用中的活性成份。这些应用的非限制性例子包括电池、超级电容器、太阳能电池、传感器、电催化剂、电子场发射电极、晶体管、人工肌肉、电致发光电极、固相微萃取材料、水纯化吸附剂、有机光生伏打组分及电机致动器。

广泛使用于石墨烯型式材料的大量制造的方法之一已知为“Hummer”或“经修改的Hummer”方法。此方法产生大程度经亲水性官能化的石墨烯材料，其已知为石墨烯氧化物。Hummer方法依赖使用侵蚀性氧化步骤达成石墨粉末的层离。所产生的薄片为高缺陷石墨烯或石墨烯氧化物，其需要经进一步加工以从石墨烯氧化物制成石墨烯。不像导电的石墨烯，石墨烯氧化物是一种电绝缘材料。石墨烯氧化物不合适于广大多数应用。典型来说，需要进行热或化学还原以从高绝缘相的石墨烯氧化物至少部分恢复成石墨烯的π电子。使用Hummer方法的额外限制及负面副作用为该方法产生非常大量的酸性废弃物。

在过去几年内，已经努力研究发展用于高质量石墨烯的大量制造的环境安全可扩充性合成方法。这些方法包括溶剂和/或表面活性剂辅助型液相层离法、电化学膨胀法及形成石墨插层化合物。科学界已对电化学层离石墨薄片/块的制造方法表露出明显保证，因为其是一种容易、快速且环境良性的高质量石墨烯的大量制造方式。

有两种熟知的电化学层离方法，“阳极”及“阴极”。就最后产物的产率来说，阳极方法似乎最有效率，但是在该层离方法的进程期间，所产生的石墨烯材料产生实质量的缺陷/官能化。另一方面，阴极方法产生更高质量的石墨烯材料，但是对大量制造来说，产率明显需要改良。

在阳极方法中，使用高纯度石墨薄片/块/棒作为工作电极(阳极)并使用金属或导体作为对应阴极(阴极)(图14)。在多种媒质中，例如离子型液体；水性酸(例如，H₂SO₄或H₃PO₄)；或在包括合适的层离离子诸如SO₄^2-或NO₃^-的水性媒质中进行该阳极方法。在该水性阳极电化学层离方法期间，于阳极处释放出O₂分子并在所产生的石墨烯薄片上产生缺陷。影响石墨烯材料质量的缺陷依次影响最后目标应用的质量。在该阳极方法中，SO₄^2-层离离子直径与在石墨层间的层间间隔兼容，这产生更有效率的层离。