[发明专利]一种石墨烯制备方法、石墨烯及其制备系统有效

专利信息
申请号: 201811493151.X 申请日: 2018-12-07
公开(公告)号: CN109264702B 公开(公告)日: 2021-05-04
发明(设计)人: 李星;刘长虹;蔡雨婷;漆长席;蒋虎南 申请(专利权)人: 四川聚创石墨烯科技有限公司;大英聚能科技发展有限公司
主分类号: C01B32/184 分类号: C01B32/184
代理公司: 成都中玺知识产权代理有限公司 51233 代理人: 熊礼;邢伟
地址: 610036 四川省遂宁*** 国省代码: 四川;51
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摘要:
搜索关键词: 一种 石墨 制备 方法 及其 系统
【说明书】:

发明提供了一种石墨烯制备方法、石墨烯及其制备系统。制备方法包括:将含有含氧官能团并含有金属杂质和/或非金属杂质的氧化石墨烯在自身重力作用下经历反应区,反应区被设置为温度1250℃以上,压强30Pa~500Pa。制备系统包括加料单元、反应单元、气氛控制单元和收集单元,加料单元用于向反应单元中加入氧化石墨烯;反应单元具有沿竖直方向延伸的反应区,以使所述氧化石墨烯能够依靠自身重力经历所述反应区;气氛控制单元用于控制反应单元气氛环境;收集单元收集石墨烯。本发明制备方法能够去除石墨烯中的金属、非金属杂质,并同时除去氧化石墨烯所带的大量含氧官能团,修复氧化石墨烯的杂化缺陷。制备系统操作方便。

技术领域

本发明涉及新材料制备技术领域,更具体来讲,涉及一种石墨烯制备方法、石墨烯及其制备系统。

背景技术

2004年,英国曼切斯特大学的物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫首先利用机械剥离法从石墨中分离出了单层石墨烯,并研究了其准粒子性,以及场效应特性。该发现迅速在全球引发了一场石墨烯的研究热潮,短短几年时间里,石墨烯的研究和应用得到了蓬勃发展。

石墨烯是由碳原子组成的二维蜂窝状网络结构,是一种可以直接从石墨中剥离出来、由单层碳原子构成的面材料。石墨烯中碳原子的排列与石墨一样,都属于复式六角晶体结构,在二维平面上以SP2杂化轨道互相堆垛,每个碳原子与其最相邻的三个碳原子间构成三个σ键,而剩余的一个P轨道电子(Π电子)垂直于石墨烯平面,与周围碳原子的Π键形成离域大Π键。在石墨烯的同一原子面上只有两种空间位置不同的原子。

从结构上看,石墨烯是其他一切碳纳米材料的基本单元。例如,它可以翘曲成零维的富勒烯,卷曲成一维的碳纳米管,堆垛成三维的石墨。这种独特的结构特点赋予了石墨烯优异的物理、化学及力学等性能。

优异的导电性能。石墨烯结构非常稳定。石墨烯中各原子之间的连接非常柔韧,当石家外部机械力时,碳原子面发生弯曲变形,使碳原子不必重新排列来适应外力,也就保持了结构中的稳定性。这种稳定的晶体结构使碳原子具有优异的导电性。因为石墨烯中的电子在轨道中移动时,不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。另外,由于碳原子之间很强的相互作用力,因此,即时在常温下周围碳原子发生挤撞,石墨烯中电子受到的干扰也非常小。其电子运动速度能达到光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。

优异的力学性能。石墨烯是人类已知强度最高的物质,比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍左右。理论计算和实验检测表明,石墨烯的抗拉强度和弹性模量分别可达到125GPa和1100GPa。

优异的透光性能。实验和理论结果均表明,单层石墨烯仅仅吸收2.3%的可见光,即可见光的透光率高达97.7%,结合其优异的导电性能和力学性能,石墨烯可以代替氧化铟锡、掺氟氧化锡等传统导电薄膜材料,既可克服传统导电薄膜的脆性特点,也可解决铟资源短缺等问题。

这些独特的性能特点使石墨烯在电子器件(场效应、射频电路等),光学器件(激光器、超快电子光学器件等)、量子效应器件,化学、生物传感器,复合材料、储能材料与器件(超级电容器、锂离子电池、燃料电池等)领域方面有广泛的应用前景。

目前,主流的石墨烯制备方法有机械剥离法、氧化还原法、外延生长法、化学气象沉积法等,其中氧化还原法由于其成本低廉、生产设备简易、单次产量最大、产品层数集中、横向尺寸均匀等优点成为工业化生产最常用方法。一方面,用该法制备的石墨烯,由于在氧化插层的过程中,其自身的晶体结构很容易被破坏,导致石墨烯内部缺陷增加,很大程度的影响了石墨烯的性能;另一方面,利用氧化还原法生产的石墨烯存在大量金属、非金属杂质,这也进一步的影响了石墨烯的规模化发展与应用。

发明内容

针对现有技术中存在的不足,本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如,本发明的目的之一在于提供一种能够制备结构缺陷少、杂质含量低的石墨烯方法。

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