一种应用真空光电反应生产石墨烯的方法与流程

本发明涉及石墨烯生产领域，具体为一种利用光电反应进行石墨烯的制备方法。

背景技术：

现有的石墨烯制备方法主要分为四大类：机械剥离法、外延生长法、化学气相沉淀法和石墨还原法。微机械剥离方法操作简单、制作样本质量高，是当前制取单层高品质石墨烯的主要方法，但其可控性较差，制得的石墨烯尺寸较小，一般都在10-100um之间，且存在很大的不确定性，其生产效率低、成本高，不适合大规模生产。而外延生长法所需要的原料成本、设备成本较高，其需要很高的生长温度(1400摄氏度)，因此需要的设备要求高，而且生长大尺寸的石墨烯也很困难。石墨还原法的过程是先用强氧化剂将石墨氧化成石墨，氧化过程即在石墨层间穿插一些含氧官能团，从而加大了石墨层间距，然后经超声处理一段时间之后，即形成单层或数层石墨烯，再用强还原剂将石墨烯还原成石墨烯。该方法得到的石墨烯由于单层石墨烯非常薄，容易团聚，导致降低石墨烯的导电性能及比表面积，进一步影响其在光电设备中的应用，另外，该氧化还原过程中容易引起石墨烯的晶体结构缺陷，如碳环上碳原子的丢失等问题。化学气相沉淀法在制备的后期，对于石墨烯的转移过程比较复杂，而且制备成本较高，另外基底内部的碳原子生长与连接往往存在缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种大大提高生产量、生产质量的石墨烯制备方法，且其不会对环境造成污染。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种应用真空光电反应生产石墨烯的方法，其包括如下步骤：

A.将1000目的石墨混合于离子水中，并喷涂于玻璃管内侧；

B.将玻璃管放入真空炉中进行抽真空，同时在真空炉前后设置电极，通电进行光电加热，以干燥去湿；

C.继续保持加热，并确保玻璃管内部完成抽真空，按4:6同时加入氦气和氖气，保持玻璃管真空状态并持续通电工作3-4小时进行氧化还原，即出炉制得石墨烯。

作为对上述一种应用真空光电反应生产石墨烯的方法的进一步描述，步骤B中，在干燥过程中保持恒温加热且实时检测干燥程度，所述的恒温加热温度不大于80摄氏度，同时对玻璃管内部逐渐进行抽真空干燥，当去湿达到80％后，即进行步骤C。

作为对上述一种应用真空光电反应生产石墨烯的方法的进一步描述，所述步骤C还包括C1.在通电过程中，根据玻璃管的发光度，补充加入的氦气和氖气量。

作为对上述一种应用真空光电反应生产石墨烯的方法的进一步描述，在真空炉的内侧表层喷涂聚四氟乙烯。

作为对上述一种应用真空光电反应生产石墨烯的方法的进一步描述，步骤A与B之间还包括：A1.进行自然排湿，自然排湿持续时间为30分钟。

作为对上述一种应用真空光电反应生产石墨烯的方法的进一步描述，步骤A中还包括：A2.使用离心机将石墨溶液分离。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：使用新的光电反应方式进行石墨烯生产，其利用光电原子的能量跃迁，使石墨原子之间的键充分打开，减少多层石墨烯的产生，由于单层的石墨烯其分子集合体可形成较为完美的蜂窝状六角形，从而令该单层石墨烯不易聚合，其分散效果好，可以直接应用于复合材料上；同时，由于生产过程中不涉及污染环境的多种氧化剂还原剂物质，其生产干净无毒害；再者，在真空炉中可以同时放置多根玻璃管进行反应，由于光电反应时能均匀接触到玻璃管的表面，因而可使用大量玻璃管进行充分、均匀的反应，从而大大提高了产能，而批量反应更能有效地节省能源消耗。

附图说明

图1为本发明的生产过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供了以下的技术方案：

一种应用真空光电反应生产石墨烯的方法，其包括如下步骤：

A.将1000目的石墨混合于离子水中，并喷涂于玻璃管内侧；

B.将玻璃管放入真空炉中进行抽真空，同时在真空炉前后设置电极，通电进行光电加热，以干燥去湿；

C.继续保持加热，并确保玻璃管内部完成抽真空，按4:6同时加入氦气和氖气，保持玻璃管真空状态并持续通电工作3-4小时进行氧化还原，即出炉制得石墨烯。

在上述方案中，其以原子的辐射能量为主，在气体放电管里，电场中加速获得一定动能的电子与氦原子碰撞，并将氦原子激发到21S0、23S1态，由于氦原子的这两个亚稳态能级21S0、23S1原子数是比较多的，这些氦原子的能量又分别与处于基态的氖原子的能量相近，氦原子的能量与氖原子在电场激发下，处于这一能级的氦原子与氖原子碰撞会将能量传递、跃迁给氖原子，使它们从基态跃迁到3S和2S态，这样氖原子在能级3S－3P、3S－2P、2S－2P间形成粒子数反转分布，从而以伴随发射3.39um、632.8nm、1.5um三种波长的光来转移能量。

完美的石墨烯只有一个碳原子厚度，它是己知材料中最薄的一种，其碳原子上有四个价电子，而石墨烯的每个晶格内都有三个C键，各个C键之间的连接十分牢固，这样每个碳原子都会能贡献出一个未成键的π电子，这些π电子与单层石墨烯平面成垂直的方向即形成π轨道，而π电子则可在晶体中自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。在未经充分反应的石墨烯上，碳原子的该未成键的价位上容易与另一碳原子形成共价键，从而成为上下两层的结合关系而非电子，当多层都具有这些共价键时，则结合成了较为常见的多层石墨烯，而使用充分的还原方法则可以让未成键位的两两碳原子之间的范德华键打断，从而成为单层石墨烯，产品达到较为松散的目的。而通过不断激发光电反应，该过程可将多种波长的光能量转移到该碳原子上，使其发生还原反应，石墨从此进行裂解的同时，其充分反应也可使石墨烯成为石墨原子结构厚度的纯碳原子结构，把分子键充分打开，形成一个密集的蜂窝状分子结构。通过打开上述的分子键后，碳原子间的距离可增加到0.18nm。

为了能充分反应，本发明采用多根玻璃管与真空炉配合的方案，由于其圆形表面积大，可大大提高石墨原料与真空炉内部气体的接触面积，从而加快干燥的进度，也可让放置在玻璃管内的石墨原料均匀、充分地接受光电反应；再者，在抽真空、通电进行光电反应的过程中，上述结构也更为方便地进行。

作为对上述一种应用真空光电反应生产石墨烯的方法的进一步描述，步骤B中，在干燥过程中保持恒温且实时检测干燥程度，所述的恒温温度不大于80摄氏度，同时对真空炉内部逐渐进行抽真空干燥，当去湿达到80％后，即进行步骤C。

作为对上述一种应用真空光电反应生产石墨烯的方法的进一步描述，所述步骤C还包括C1.在通电过程中，根据玻璃管的发光度，补充加入的氦气和氖气量。在制备过程中，对于真空炉内部真空度不够的情况下，其通电发光度将发生变化，此时即可通过发光度来判断内部压强大小，从而补充气体。

作为对上述一种应用真空光电反应生产石墨烯的方法的进一步描述，在真空炉的内侧表层喷涂聚四氟乙烯。在内侧喷涂聚四氟乙烯，可以防止在炉内湿度较低时，通电进行光电反应过程中导致炉内壁寿命降低的问题。

作为对上述一种应用真空光电反应生产石墨烯的方法的进一步描述，步骤A与B之间还包括：A1.进行自然排湿，自然排湿持续时间为30分钟。步骤A中还包括：A2.使用离心机将石墨溶液分离。

本发明中利用光电分离技术，将发光气体作为激发石墨分子的强氧化剂和强还原剂，以此代替原有的还原法中使用的多种化学物质。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。