[发明专利]一种双层石墨烯插层化合物的制备方法

说明书

本发明提供一种双层石墨烯插层化合物的制备方法。利用氯化碘作为插层剂得到二阶石墨插层化合物，对二阶石墨插层化合物高温处理，氯化碘分解产生气体剥离石墨片层得到双层高质量石墨烯材料，利用三氯化铁等作为插层剂，运用熔融盐法对双层高质量石墨烯进行插层，得到双层石墨烯插层化合物。本发明方法，利用双层石墨烯的可控制备，得到双层石墨烯插层化合物，插层剂的存在使得层间距增大，插层剂也会让片层的自由载流子发生迁移，从而获得不同的电学、热学和磁学等性质。以双层石墨烯为基础的石墨烯插层化合物克服了传统的石墨插层化合物尺寸太大的缺点，可应用在新型微纳电子、透明电极、高频晶体管等器件的制造方面。

技术领域

本发明涉及石墨烯插层化合物制备领域，采用双层石墨烯和插层剂制备双层石墨烯插层化合物。

背景技术

石墨插层化合物是将不同的原子或分子插入石墨层间，形成一层新的插层剂层的复合材料。插层剂的存在使得石墨层间距增大，同时不同插层剂也会让石墨层的自由载流子发生迁移，从而得到具有不同电学、热学和磁学等性质的化合物。石墨经过化学处理制成的层间化合物，其性质大大优于石墨，具有耐高温、抗热震、防氧化、耐腐蚀、润滑性和密封性等优良性能或功能，是制备新型导电材料、电池材料、储氢材料、高效催化剂、柔性石墨、密封材料的原料，其应用范围已扩大到冶金、石油、化工、机械、航空航天、原子能、新型能源等领域。传统的石墨插层化合物由于尺寸原因，难以应用在微电子器件的制造领域。石墨烯是碳原子以正六边形结构周期排列而成的二维晶体。石墨烯具有极大的比表面积、极高的可见光透过率，还具有良好的导电和导热能力及高强度的机械性能，引发了材料科学、半导体技术、微电子技术等领域的研究风潮。因此，以少层石墨烯为基础的石墨烯插层化合物研究在新型微纳电子、透明电极、高频晶体管等器件的制造方面具有广阔的前景。

石墨烯插层化合物的制备方法可以参考石墨插层化合物的制备方法。常用的石墨插层化合物的制备方法主要有熔融法、溶剂热法、双室法、化学法、电化学法、固体加压法、爆炸法和光化学法等。双室法又称气相法或者气相传输法，主要是在一定温度下利用插入物的蒸汽与石墨进行反应而制得。该法的优点是比较容易控制生成物的结构和阶数，但缺点是插入物只存在于石墨表面的一些碳原子层中，难以获得质量较高的样品，并且反应装置复杂，需要特别订制，难以进行大量的合成，且反应时间长，反应温度高，需在真空条件下操作。溶剂热法将某些金属或金属盐溶于溶剂中与石墨反应，常用的溶剂有液氨、SOCl2加有机溶剂(如苯、萘、四氢呋喃、二甲氧基乙烷)等。该法能在常温下大量合成，但反应慢，阶结构难以控制，易生成三元石墨层间化合物，稳定性差。熔融法是直接将石墨与反应物混合加热，使插入物在熔融条件下与石墨反应制得石墨层间化合物。该法反应速度快，反应充分，能制得一些低阶的石墨层间化合物样品，反应系统和过程简单易操作，适于大量合成，但如何除去反应后附在石墨层间化合物上的反应物，以及获得阶结构与组成一致的石墨层间化合物的问题还有待解决。法国的Emery等采用混合熔盐法制得了块状的CaC6样品，为该物质的进一步研究提供了良好的条件。实验中石墨与熔融的锂钙合金直接接触，在350℃与纯氩气的环境下反应十天，在反应时，首先进入石墨层间的是Li，随着反应的进行Ca与Li发生交换反应，最终将Li完全替代。在制备FeCl₃-GIC时用到的也是熔盐法，反应温度为400℃，反应时间为4小时，原料配比C：FeCl₃为1∶5，得到的产物为纯二阶FeCl₃二元石墨层间化合物。化学法又可称为液相法，将呈液态的插入物质与石墨混合，进行反应而生成石墨插层化合物，反应中温度、时间对产物的阶结构有很大影响。这种方法设备简单，反应速度也快，对大量样品的合成很有效，而且可以利用改变原始反应物石墨和插入物的比率达到所希望的阶结构与组成；如Br-GIC与H₂SO₄-GIC，缺点是形成的产物不稳定，如果液相中组分多，还可以形成不稳定的多元石墨层间。最早的膨胀石墨即石墨插层复合物就是以浓硫酸为插层剂，配以各种氧化剂与天然鳞片石墨反应、脱酸、水洗、干燥而成。电化学合成法主要以插入物的溶液，包括有机溶液和无机溶液或熔融盐为电解质，以石墨为电极形成的电化学体系，一般石墨和辅助阳极一起构成阳极室，有的将石墨用铂金网包裹起来作阳极，通过调节电位、电量去控制产物的阶结构，适于研究插层反应热力学。该法合成设备简单，合成量大，且产物结构稳定，该法不足之处是合成产物的稳定性要比其他方法差，而且在水溶液中高电流下有副反应发生而很难得到一阶化合物。白新德等利用FeCl₃、HCl、H₂O的混合液进行电化学插层成功好获得了FeCl₄-GICs。