一种通过控制初始碳源厚度制备石墨烯的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米材料制备技术领域，特别涉及一种通过控制初始碳源厚度制备石墨烯的方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯是近年发现的二维碳原子晶体，是目前碳质材料和凝聚态物理领域的研究热点之一。石墨烯是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等SP2杂化碳的基本结构单元。尽管石墨烯只有一个碳原子厚度，也是己知材料中最薄的一种，然而石墨烯却非常牢固坚硬。此外，碳原子有四个价电子，这样每个碳原子都能贡献出一个未成键的电子，这些31电子与平面成垂直的方向可形成31轨道，31电子则可在晶体中自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。这些优异的特性使石墨烯拥有十分广阔的发展前景。
[0003]众所周知，石墨烯的层数会影响力、热、光、电性能，而控制石墨烯的层数也就十分至关重要。中国专利公开号103265021A中国科提供一种层数可控石墨烯的生长方法，先制备Ni/Cu体系，并利用离子注入技术引入碳源，通过精确控制注入碳的剂量，成功实现了对石墨烯层数的调控。该发明获得的石墨烯薄膜具有质量好、大尺寸且层数可控的优势，且易于转移。另外，离子注入技术、退火技术在目前半导体行业都是非常成熟的工艺，该发明的层数可控石墨烯的生长方法将能更快地推动石墨烯在半导体工业界的广泛应用。然而，该方法对于超级电容器、储能电池石墨烯用量大的应用而言，该方法成本太高，不利于大规模生产。
[0004]中国专利公开号102492926A提供了一种局部单原子层石墨烯薄膜的制备方法，具体步骤为:第一步，将多层石墨烯薄膜置于载体台上使待加工部分悬空，然后将载体台放置于透射电子显微镜中；第二步，将多层石墨烯薄膜温度升高到300-1300°C，利用电流密度大于I X 102A/cm2的会聚高能电子束福照待加工部分的多层石墨稀薄膜表面，并持续1-60分钟，使得待加工部分的多层石墨烯薄膜的表层碳原子不断被轰击溅射，逐层剥离最终形成少数层甚至单层且高结晶性的石墨烯。石墨烯的厚度及单层石墨烯的面积通过调节电子束的束径、电流密度及电子束辐照的时间来控制。该方法是使用电子束辐照剥离多层碳原子，获得单层石墨烯，该方法是一种原子级别的操作，设备复杂，工艺难度大。
[0005]中国专利公开号104485310A提供一种形成石墨烯互连线的方法，其包括以下步骤:提供目标衬底;接着在目标衬底上形成均匀且厚度可控的碳源层;在碳源层上淀积金属催化层;然后在预设温度下采用退火工艺将淀积的碳源层转化为石墨烯层；随后去除金属催化层;最后采用光刻和刻蚀工艺对石墨烯层图案化，以形成石墨烯互连线。该发明提供的一种控制碳源层厚度的方法控制石墨烯的厚度，方法简单。然而，该方案中涉及的碳源层和金属层沉积，整个过程相当于让碳原子重新排序获得石墨烯，成本昂贵。
[0006]现在已有的方案存在成本高，工艺复杂，操作难度大的缺点。因此，目前还没有一种成本低、环境友好的、高效率地控制石墨烯。
【发明内容】
[0007]为了解决上述方法的不足和缺陷，本发明开发出一种通过控制初始碳源厚度制备石墨烯的方法。由于石墨烯量子点的单层碳原子在层内没有悬挂键，碳原子的悬挂键均在单层石墨边缘。因此，当高能碳原子在单层石墨表面扩散时，会在边缘停留，帮助石墨烯量子点边缘生长，获得更大的石墨烯。所以，通过控制石墨烯量子点的层数，就可以控制最后石墨烯的厚度。所述方法采用石墨烯量子点作为生长模板，将石墨烯量子点分散在糊化淀粉中，借助高温高压提供的高能量，分解碳素有机材料得到的碳原子排列到石墨层边缘位置，生长出更大的石墨烯片层。所述方法操作简单，通过控制初始石墨烯量子点的层数，可控获得对应层数的石墨烯量子点。
[0008]本发明提供一种通过控制初始碳源厚度制备石墨烯的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤:
a.将碳素有机材料与寡层石墨量子点按质量比5-10:1混合，加入搅拌机，搅拌均匀，与去离子水混合，得到混合溶液，保持搅拌状态；
b.在步骤a获得的溶液中加入预糊化淀粉，预糊化淀粉的重量为去离子水的2-5倍，加入催化剂，搅拌均匀，得到碳素糊化混合物；
c.惰性气体保护下，将步骤b获得的碳素糊化混合物加入高温高压反应釜，釜内温度为500-800°C，压力为20-50 MPa，处理l_3h，获得固体产物，该固体产物即为石墨烯预制粉；
d.将石墨烯预制粉放入二甲基甲酰胺液体中，超声分离30-60分钟，离心，取上层清液，获得石墨烯。
[0009]其中，所述寡层石墨量子点为1-10个碳原子层厚度的，片径在10nm以内的石墨薄片。
[0010]可选的，根据权利要求1所述的一种通过控制初始碳源厚度制备石墨烯的方法，其特征在于，所述碳素有机材料为淀粉类、纤维素、木质素和无定形碳。
[0011]可选的，根据权利要求1所述的一种通过控制初始碳源厚度制备石墨烯的方法，其特征在于，所述搅拌机搅拌速度为500-1500r/min。
[0012]可选的，根据权利要求1所述的一种通过控制初始碳源厚度制备石墨烯的方法，其特征在于，所述惰性气体为氮气、二氧化碳、氩气、氦气。
[0013]可选的，根据权利要求1所述的一种通过控制初始碳源厚度制备石墨烯的方法，其特征在于，所述石墨烯预制粉与二甲基甲酰胺液体的重量比例为1-3:10。
[0014]本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果:
1、该种方法采用石墨烯量子点作为生长模板，将石墨烯量子点分散在糊化淀粉中，借助高温高压提供的高能量，分解碳素有机材料得到的碳原子排列到石墨层边缘位置，生长出更大的石墨烯层片。再者，通过控制初始石墨烯量子点的层数，可控获得对应层数的石墨稀量子点。
[0015]2、该种方法采用的设备为常规纳米制备工业设备，操作简单，产品质量可控，成本低廉，适合大规模生产普及。
[0016]3、该种方法采用碳素有机材料作为碳源，取材广泛，有利于降低生产成本，适用于工业生产。
【具体实施方式】
[0017]通过【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
[0018]实施例一
本实施例制备步骤如下:
取碳素有机材料小麦淀粉500g与寡层石墨量子点按质量10g混合，寡层石墨量子点为I个碳原子层厚度的，片径为20nm的石墨薄片。将上述混合物加入搅拌机，设置搅拌机搅拌速度为500r/min，搅拌均匀，加入IL去离子水，得到混合溶液，保持搅拌状态。向上述溶液中加入2kg预糊化淀粉，加入催化剂，搅拌均匀，得到碳素糊化混合物。在惰性气体氮气保护下，将碳素糊化混合