一种以高纯煤粉为原料制备石墨烯薄膜的方法

本发明涉及石墨烯材料，具体涉及一种以高纯煤粉为原料制备石墨烯薄膜的方法。

背景技术：

1、石墨烯自2004年于英国发现以来，因其具有低密度、超高比表面积、超高导电性、高强度和高韧性，引起了人们的广泛关注，可以应用于储能器件、半导体电子元件、传感器、生物医药等重点领域。目前制备石墨烯的原料主要是石墨类材料、甲烷或乙烯等含碳气体，原料成本较高，这样不利于石墨烯的工业化生产。而煤矿是一种优异的碳源，富含大量的碳且储量丰富，物美价廉，其中含有丰富的芳香族化合物，芳香族化合物可以成为石墨烯生长的核心，易于制备石墨烯或氧化石墨烯。

2、cvd法是制备石墨烯薄膜的常用方法，石墨烯的化学气相沉积的原理是：将一种含碳的气态物质(通常是甲烷、乙烯、乙炔)在高温的环境下，用氢气作为还原性气体，通入到炉内，生成石墨烯薄膜并沉积在衬底表面，衬底一般为铜、镍、钛等金属。采用上述方法可以获得大面积、层数少、质量高的石墨烯薄膜，问题是从衬底转移到其他器件上比较困难，通常的做法是用酸液刻蚀掉衬底，获得石墨烯薄膜，这么做的坏处是容易获得污染、有褶皱的、低质量的石墨烯薄膜，与沉积的石墨烯薄膜组织各异。因此需要选择无损的转移方法来解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术的问题，提供了一种以高纯煤粉为原料制备石墨烯薄膜的方法，其工艺简单，易于规模化生产，而且石墨烯薄膜可以实现无损化转移，该发明制备的石墨烯薄膜具有超高导热性且极具性价比，适合应用于半导体、传感器、电子产品等领域。

2、本发明选择变质程度较低的烟煤和褐煤等煤种作为原料。因含有大量的脂肪烃和官能团，片层结构疏松，孔隙发达，在一定的温度和压力下裂解成含碳气态物质，随后碳原子在熔化的金属铈表面上富集，与多环芳香族化合物结合形成石墨烯薄膜。其中多环芳香族化合物作为石墨烯的生长核心并起到连接石墨片桥梁的作用，最后连成一片成石墨烯薄膜，其石墨烯生长原理不同于以ni为衬底的渗碳析碳机制和以铜为衬底的表面生长机制。

3、本发明的技术方案如下：一种以高纯煤粉为原料制备石墨烯薄膜的方法，具体步骤如下：

4、步骤(1)、将高纯煤粉与稀土ce粉按照质量比1：0.5～2的比例混合，再添加占两种粉末总质量的1％有机胶粘剂，三者混粉时间1.5～3h，得到固体混合粉末；

5、步骤(2)、将步骤(1)中获得的固体混合粉末均匀涂抹到二氧化硅玻璃片或单晶硅片上，在150～200℃下真空烘干二氧化硅玻璃片或单晶硅片0.5～1h；

6、步骤(3)、将烘干后的二氧化硅玻璃片或单晶硅片转入cvd炉子中，在石英管中通入氢气和氩气，控制cvd炉子内部压力4～6mpa，温度升温至1200～1600℃，反应0.5～2h后停止供气；高纯煤粉发生分解产生含碳气态物质，所述含碳气态物质作为碳源将碳原子富集沉积在熔化后的金属铈表面上，最终生长成石墨烯薄膜，沉积时间为30min～1h，cvd炉子冷却后取出二氧化硅玻璃片或单晶硅片，完成整个石墨烯薄膜沉积过程；

7、步骤(4)、石墨烯薄膜的转移和分离：以铂电极为阳极，载有石墨烯薄膜的二氧化硅玻璃片或载有石墨烯薄膜的单晶硅片为阴极，电解液为自来水，在1.2～1.4v的恒电压条件下进行电解水的实验，电解过程中阴极产生的气泡将石墨烯薄膜无损剥离下来，获得成品石墨烯薄膜。

8、所述高纯煤粉为烟煤或褐煤。

9、所述有机胶粘剂为聚乙烯醇、聚醋酸乙烯、聚氨酯类、环氧树脂胶粘剂中的任意一种。

10、所述氢气和氩气的流量比是1：1。

11、所述含碳气态物质为烷烃、烯烃、炔烃、芳香族化合物的混合物。

12、所述方法制备的石墨烯薄膜，应用于半导体、传感器、电子产品领域。

13、本发明的有益效果是：本发明涉及了一种以高纯煤粉为原料制备石墨烯薄膜的方法，采用cvd法制备石墨烯薄膜，以高纯煤粉作为碳源，在熔化的金属铈表面制备成石墨烯薄膜。该石墨烯薄膜具有优异的导热性能和导电性能，适合应用于半导体、传感器、电子产品等领域。导电和导热性能测试结果显示，石墨烯薄膜的电导率最大可达28543s/m，石墨烯薄膜的导热系数为最大可达2511w/m·k。

技术特征：

1.一种以高纯煤粉为原料制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种以高纯煤粉为原料制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于，所述高纯煤粉为烟煤或褐煤。

3.根据权利要求2所述的一种以高纯煤粉为原料制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于，所述有机胶粘剂为聚乙烯醇、聚醋酸乙烯、聚氨酯类、环氧树脂胶粘剂中的任意一种。

4.根据权利要求3所述的一种以高纯煤粉为原料制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于，所述氢气和氩气的流量比是1：1。

5.根据权利要求4所述的一种以高纯煤粉为原料制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于，所述含碳气态物质为烷烃、烯烃、炔烃、芳香族化合物的混合物。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种以高纯煤粉为原料制备石墨烯薄膜的方法，其特征在于，所述方法制备的石墨烯薄膜，应用于半导体、传感器、电子产品领域。

技术总结
本发明属于石墨烯材料技术领域，公开了一种以高纯煤粉为原料制备石墨烯薄膜的方法。经过高能球磨混粉、刮涂烘干、CVD气相沉积、电化学分离薄膜等步骤。选择变质程度较低的烟煤和褐煤等煤种作为原料。因含有大量的脂肪烃和官能团，片层结构疏松，孔隙发达，在一定的温度和压力下裂解成含碳气态物质，随后碳原子在熔化的金属铈表面上富集，与多环芳香族化合物结合形成石墨烯薄膜。本发明制备得到的石墨烯薄膜具有优异的导热性能和导电性能，适合应用于半导体、传感器、电子产品等领域。

技术研发人员：胡亮,张凤玲,杨媛媛,唐沁茹,唐一巧,蒋晓漫
受保护的技术使用者：沈阳理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/15