[发明专利]一种CVD法常压低温制备石墨烯的方法

说明书

本发明提供了一种CVD法低温制备石墨烯的方法，该方法是以甲烷碳源，通过适宜的催化剂，生成高选择性一氯甲烷。在将一氯甲烷以铜箔为基底，裂解生成石墨烯，反应温度在200‑400℃。本发明采用CVD法低温合成石墨烯，此方法可大规模连续化生产墨烯。而且，在低温下，可减少大量能耗，为工业化生产石墨烯开辟新途径。

技术领域

本发明涉及石墨烯材料制备领域，具体涉及一种CVD法低温常压制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯凭借其出色的电学、热学、光学和机械性能，目前己经广泛应用到电子、机械及医药等高科技领域。石墨烯的这些出色性能，引起科学界的广泛关注，其中大面积、高品质石墨烯的合成方法是科学界研究的重点之一。

目前，石墨烯的制备方法有很多，如机械剥离法、氧化石墨还原法、SiC外延生长法、化学气相沉积法（CVD）等。其中机械剥离法得到的石墨烯质量最好，可是其产量却很少，而且面积较小，无法满足需求量;化学还原氧化石墨烯则可以实现石墨烯的量化生产，但是生产的石墨烯大小和层数不一，而且含有较多的杂化基团，石墨烯的物理性质较差;加热SiC法虽然也实现了石墨烯的高品质合成，但是该方法合成的石墨烯却很难实现转移。CVD则不仅可以实现石墨烯的大面积高品质合成，而且可以使其实现较容易地转移，因此该方法是目前最有前景生产大规模、大面积、高品质石墨烯的方法。

但是，利用CVD制备石墨烯时，主要以甲烷为碳源作为碳源气体，在1100 ℃温度下裂解出碳原子和氢气。由于甲烷正四面体结构，故十分稳定，键能很高，故其制备温度非常高，这极大的限制了石墨烯材料的实际生产。为此，有必要以CVD在低温制备石墨烯方向进行深入研究，该方向的突破对石墨烯的实际工业化生产有着极其重要的意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种CVD法低温制备石墨烯的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种CVD法低温制备石墨烯的方法，将甲烷和氯气在催化剂下选择性单卤化生成一氯甲烷，由此在低温下裂解生成石墨烯。在上述反应中，反应温度200-400 ℃。

本发明提供的以甲烷为碳源，通过适宜催化剂，生成极高选择性的一氯甲烷。相对于正四面体甲烷，一氯甲烷总键能更低，更易裂解。从热力学角度，一氯甲烷裂解生成石墨烯也更易发生。

优选地，上述方法具体包括以下步骤：

（1）将80％-90％正磷酸与纯异丙醇铝混合，在将二氧化硅水溶胶（20 wt％-30wt％）加入溶液中，其中正磷酸：异丙醇铝：二氧化硅=5-10：2-5:1，产物在搅拌条件下结晶沉淀，经分离、干燥、煅烧，煅烧温度为250-350 ℃，制得催化剂。

（2）取催化剂在空气中以2-12 ℃/ min的速率从室温加热至200-400 ℃，以5-10：1的比例通入甲烷 -氯气混合物, 催化剂空速为1-20 h^-1，反应器出口到样品收集器的连接在150-200 ℃下加热以避免产物冷凝。

（3）将铜箔先后在稀醋酸，丙酮和异丙醇中各超声洗涤10-15 min，将Si0₂/Si片用丙酮和异丙醇各超声洗涤20-25 min，然后将洗净的硅片放进高真空磁控离子溅射仪中溅射铜箔，将溅射好的铜箔置于带有磁石手柄的石英托盘上，打开混气系统并依次调节CVD中所需要的CH₃Cl、H₂气体流量，保持CH₃Cl与H₂流量比为2-10:1。

（4）在铜箔表面均匀旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），然后再将旋涂后的铜箔放在恒温加热搅拌器上加热至150-250 ℃，CH₃Cl在铜箔表面裂解，裂解时间为1s～60min，即可在金属箔片表面生长出石墨烯。

其中，上述步骤中均在常压下操作。