[发明专利]可调尺寸的粉体石墨烯的制备方法

说明书

本发明公开一种粉体石墨烯的制备方法，通过控制生长过程中的成核密度和/或反应气氛流经反应区的时间，调控气相石墨烯尺寸。本发明方法简单有效，首次实现气相中石墨烯尺寸地调控，可控制石墨烯尺寸的适当增大或者减少。并可在气相中直接获得石墨烯量子点，相较于传统方法而言，简单高效，石墨烯纯净并且结晶性高。

技术领域

本发明涉及石墨烯的制备技术领域，具体涉及可调尺寸的粉体石墨烯的制备方法。

背景技术

2004年，Geim教授和Novoselov博士通过胶带剥离法制备出了单层石墨烯(K.S.Novoselov,et al.Science 2004,306,666)，二人也因此获得了2010年诺贝尔物理学奖，自此引发了人们极大的研究热潮。石墨烯的性质优异，拥有极大的比表面积，极高的杨氏模量和电子迁移率以及最高的热导率等，使得其在传感器、催化、能源等领域具有极大的应用前景。石墨烯的制备主要有自下而上的生长，以及自上而下的剥离两种方法。以化学气相沉积法为代表的自下而上的生长方法，可以实现石墨烯薄膜的卷对卷生长，可获得近30英寸的石墨烯薄膜(B.H.Hong,et al.Nat.Nanotech.2010,5,574)，但是昂贵的金属催化剂以及高耗能体系的应用难免限制石墨烯薄膜的量化制备。以Hummers方法(W.S.Hummers,etal.J.Am.Chem.Soc.1958,80,1339)为代表的自上而下的剥离方法在现阶段可以实现成百上吨级石墨烯粉体的制备，但是伴随而来的是石墨烯品质较差，含氧量较高，并且后处理复杂以及污染严重等问题。我们发展了石墨烯的气相生长方法，该方法不需催化剂和基底，并且可以实现石墨烯的连续化制备(中国专利申请号：201910875607.7)。然而，在石墨烯气相制备的过程中，仍然无法实现其尺寸的控制，如何对其尺寸进行调节仍然是个巨大的挑战。

除此之外，对于石墨烯量子点的获得，大部分均采用溶液相的反应(Y.B.Yan,etal.Adv.Mater.2019,1808283)，包括利用强酸和强氧化剂对氧化石墨烯或者鳞片石墨烯的刻蚀处理，或者是利用小分子在水热等条件下的合成反应。这些反应繁琐耗时，污染严重，并且需要复杂的后处理进行纯化，获得的石墨烯量子点表面也会存在污染问题。因此，如何气相直接合成石墨烯量子点则显得极其重要。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明的目的是提供一种粉体石墨烯的制备方法。

本发明一方面提供一种粉体石墨烯的制备方法，包括：S1，向微波等离子体化学气相沉积系统中通入惰性气体以产生等离子体；及S2，向所述微波等离子体化学气相沉积系统中通入碳源-成核密度抑制剂混合气体进行粉体石墨烯的气相生长，并直接于尾气中进行石墨烯粉体的收集。

在一些实施例中，所述成核密度抑制剂选自氧气、水蒸气、二氧化碳和空气中的一种或多种。

在一些实施例中，当所述成核密度抑制剂为氧气、二氧化碳和空气中一种或多种时，来源于所述碳源的碳元素的物质的量：来源于所述成核密度抑制剂的氧元素的物质的量大于1：2；当所述成核密度抑制剂为水蒸气时，来源于所述碳源的碳元素的物质的量：来源于所述成核密度抑制剂的氧元素的物质的量大于1：1。

在一些实施例中，在所述S2步骤中，控制整体气流经反应区间时间在0.01s～10s。

在一些实施例中，优选所述整体气流经反应区间时间在0.01s～0.05s。

本发明另一方面提供一种粉体石墨烯的制备方法，包括：S1，向微波等离子体化学气相沉积系统中通入惰性气体以产生等离子体；及S2，向微波等离子体化学气相沉积系统中通入碳源气体，并控制整体气流流经反应区间时间在0.01s～0.15s，进行粉体石墨烯的气相生长，并直接于尾气中进行石墨烯粉体的收集。

在一些实施例中，在所述S2步骤中，控制所述整体气流经反应区间时间在0.01s～0.05s。

在一些实施例中，所述惰性气体选自氩气、氪气和氙气中的一种或多种。