一种用固态碳源制备石墨烯的方法
【专利摘要】本发明公开了一种用固态碳源制备石墨烯的方法。该方法以天然鳞片石墨粉为固态碳源，铜箔为催化剂基底，将石墨粉均匀地平铺在铜箔上，铜箔放在石英舟内，在惰性气体的保护下，将石英舟放入无氧的反应器中，通过化学气相沉积的方法制备石墨烯。本发明方法直接用固态碳源制备石墨烯，避免了在传统的化学气相沉积法制备石墨烯时需要通过非常复杂的制备工艺先将石墨制备成氧化石墨烯，然后再用还原气体进行还原的缺陷，因此，本发明制备工艺简单，反应迅速可行，可大幅度降低生产成本和生产时间，制备的石墨烯质量好，适用于实现工业化生产。
【专利说明】一种用固态碳源制备石墨烯的方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及石墨烯的制备方法，特别是一种用固态碳源制备石墨烯的方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯是单层原子厚度的石墨，具有二维蜂窝状网络结构。由于石墨烯片平面内兀轨道的存在，电子可在晶体中自由移动，使得石墨烯具有十分优异的电子传输性能。由于具有优异的力学、热学、电学和磁学性能，石墨烯有望在高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器、能量储存等领域获得了广泛的应用。石墨烯在结构上具有延展性，其电学、光学以及声学特性都可以通过应力和形变进行大幅调整，甚至可以改变石墨烯的带宽结构，对弯曲，折叠以及卷曲的石墨烯的研究也正加速。石墨烯拥有无与伦比的高电子迁移率，电荷在石墨烯中的迁移率可以达到前所未有的200000cm2/vs，超过硅100倍以上。这一优势使得石墨烯很有可能取代硅，而成为下一代超高频率晶体管的基础材料，应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中。因而，不久就会出现全石墨烯构成的全碳电路并被广泛应用于人们的日常生活中。
[0003]目前，制备石墨烯的方法主要有机械剥离法、SiC基体表面外延生长法、化学气相沉积法和氧化还原法。机械剥离法只能得到极少量石墨烯片，效率低、随机性很大；SiC基体表面外延生长法成本高、效率低、可控性差，并且最近的STM研究表明，该方法所制备的石墨烯的电子结构不均一；化学气相沉积法工艺简单，易于图案化，但效率低、可控性差。氧化还原法主要通过引入含氧官能团，一方面减小石墨的层间相互作用，增大层间距，改变其杂化状态，另一方面改善其亲水特性，使其易于在水溶液中膨胀，进而通过加热、超声处理等方法实现石墨的层层解理，得到功能化的石墨烯材料，是一种有望实现石墨烯低成本宏亮制备的有效方法。然而，目前采用的氧化还原法所制备的产物多为单层、双层和多层石墨烯的混合物，层数难以控制。此外，氧化还原法中氧化、膨胀及超声等工艺的使用导致所制备出的石墨烯的缺陷较多、质量较差。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种用固态碳源制备石墨烯的新方法。
[0005]本发明的用固态碳源制备石墨烯的方法，包括以下步骤:
1)剪切正方形或长方形铜箔，压平，用去离子水超声清洗后，在60-10(TC干燥，待用；
2)将经步骤I)处理过的铜箔放在石英舟内，按照每Icm2铺10-25mg天然鳞片石墨粉的比例称取天然鳞片石墨粉，均匀地平铺在铜箔上；
3)在管式炉反应腔中，通入惰性气体，排净管式炉反应腔内空气，然后将石英舟放入管式炉中，在惰性气体的保护下，于600-1000°C，保温0.1-1.0h后，冷却至室温，取出，用毛刷清除铜箔上没有反应的石墨，得到吸附在铜箔上的石墨烯。
[0006]本发明中，所述的惰性气体为氩气和氮气中的一种或组合。
[0007]本发明方法以天然鳞片石墨粉为固态碳源，铜箔为催化剂基底，将石墨粉均匀地平铺在铜箔上，铜箔放在石英舟内，在惰性气体的保护下，将石英舟放入无氧的反应器中，通过化学气相沉积(CVD)的方法制备石墨烯。该方法直接用固态碳源在反应腔内进行反应，与传统的化学气相沉积法制备石墨烯相比，本发明具有如下优点:
本发明用化学气相沉积法制备石墨烯时，由于直接用固态碳源在反应腔内进行反应，所以，与传统的化学气相沉积法制备石墨烯需要先制备氧化石墨烯的方法相比，从工业化生产和环保要求上具有很多明显优点。
[0008]I)本发明直接用固态碳源参与反应，而不需要制备氧化石墨烯，因而避免了在传统的化学气相沉积法制备石墨烯时需要通过非常复杂的制备工艺先将石墨制备成氧化石墨烯，然后再用还原气体进行还原的缺陷；
2)用传统的化学气相沉积法制备石墨烯时，在制备氧化石墨烯的过程中，需要使用浓硫酸和高锰酸钾等强氧化剂来处理天然鳞片石墨，不利于当前的环保要求；
3)制备氧化石墨烯时，需先用大量的盐酸洗涤，之后再用去离子水清洗，直至氧化石墨烯溶液的PH值为7为止，一般情况下耗时较长，不利于工业化的生产。
[0009]本发明制备工艺流程简单，反应迅速可行，可大幅度降低生产成本和生产时间，同时具备操作方便，可控性好，适用于实现工业化生产，可制备高质量的石墨烯等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是实施例1所得的石墨烯的拉曼光谱。
[0011]图2是实施例2所得的石墨烯的红外光谱。
【具体实施方式】
[0012]以下结合实例进一步阐明本发明，但本发明不局限于实例。
[0013]实施例1
1)剪切Icrn2正方形铜箔，压平，用去离子水超声清洗后，在60°C干燥，待用；
2)将经步骤I)处理过的铜箔放在石英舟内，称取天然鳞片石墨粉10mg，均匀地平铺在铜箔上；
3)在管式炉反应腔中，通入氮气，排净管式炉反应腔内空气，升温至600°C后，将石英舟放入管式炉中，保温1.0h后，冷却至室温，取出，用毛刷把铜箔上没有反应的石墨轻轻清除，得到吸附在铜箔上的石墨烯1.35mg。
[0014]图1是实施例1所得的石墨烯的拉曼光谱。石墨烯在拉曼光谱中的主要特征是D峰、G峰以及它的倍频峰2D峰。位于1350 CnT1附近的为D峰表征石墨层片间的混乱度及石墨烯的缺陷程度。位于1580 CnT1附近的G峰是碳sp2结构(二维六边形结构)的特征峰，而石墨烯是由sp2结构杂化形成，同时G峰的强弱反应石墨烯的的对称性和结晶程度。图1中D峰很弱，说明做出的石墨烯缺陷少，G峰强，说明做出的石墨烯对称性和结晶程度好，石墨烯的品质好。位于2700 CnT1附近的2D峰是由两个双声子非弹性散射造成的，单层石墨烯的2D峰强度是G的两倍，随着石墨烯层数的增加，2D峰的强度会逐渐下降，而图1的2D峰强度要弱于G峰，说明此法做出的石墨烯是多层的。
[0015]实施例2
I)剪切2cm2正方形铜箔，压平，用去离子水超声清洗后，在100°C干燥，待用； 2)将经步骤I)处理过的铜箔放在石英舟内，称取50mg天然鳞片石墨粉，均匀地平铺在铜箔上；
3)在管式炉反应腔中，通入氩气，排净管式炉反应腔内空气，升温至1000°C后，将石英舟放入管式炉中，保温0.1h后，冷却至室温，取出，用毛刷把铜箔上没有反应的石墨轻轻清除，得到吸附在铜箔上的石墨烯20.29mg。
[0016]图2是实施例2所得的石墨烯的红外光谱。从图2中可以看出在1170CHT1附近处有个很弱的吸收峰对应着环氧基中C-O的伸缩振动峰，在1390cm-1附近处有个吸收峰对应着O-H的变形振动峰，在1633cm—1附近处也有一个吸收峰，这个吸收峰对应的是C=C骨架的振动,在3435CHT1附近处有一个较强的吸收峰，这个吸收峰对应着O-H的伸缩振动峰。当中C-O和O-H所引起的吸收峰是因为在石墨烯的转移过程中需要在FeCl3溶液中溶解铜基底引入的，C=C骨架的吸收峰证明有石墨烯存在。
[0017]实施例3
1)剪切4cm2正方形铜箔，压平，用去离子水超声清洗后，在30°C干燥，待用；
2)将经步骤I)处理过的铜箔放在石英舟内，称取10mg天然鳞片石墨粉，均匀地平铺在铜箔上；
3)在管式炉反应腔中，通入氩气和氮气，排净管式炉反应腔内空气，升温至800°C后，将石英舟放入管式炉中，保温0.35h后，冷却至室温，取出，用毛刷把铜箔上没有反应的石墨轻轻清除，得到吸附在铜箔上的石墨烯35.34mg。
【权利要求】
1.一种用固态碳源制备石墨烯的方法，包括以下步骤: 1)剪切正方形或长方形铜箔，压平，用去离子水超声清洗后，在60-10(TC干燥，待用； 2)将经步骤I)处理过的铜箔放在石英舟内，按照每Icm2铺10-25mg天然鳞片石墨粉的比例称取天然鳞片石墨粉，均匀地平铺在铜箔上； 3)在管式炉反应腔中，通入惰性气体，排净管式炉反应腔内空气，然后将石英舟放入管式炉中，在惰性气体的保护下，于600-1000°C，保温0.1-1.0h后，冷却至室温，取出，用毛刷清除铜箔上没有反应的石墨，得到吸附在铜箔上的石墨烯。
2.根据权利要求1所述的用固态碳源制备石墨烯的方法，其特征在于:所述的惰性气体为氩气和氮气中的一种或组合。
【文档编号】C01B31/04GK104386675SQ201410607665
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月3日 优先权日:2014年11月3日
【发明者】黄德欢, 杨炫, 邹鹏 申请人:黄德欢