石墨烯合成制造技术

本发明专利技术涉及制备高品质石墨烯的方法。具体地讲，本发明专利技术涉及可用可再生生物质作为碳源在周围空气或真空环境进行的单步骤热方法。具体地讲，本发明专利技术包括将金属基材和碳源在密封周围环境加热到从碳源产生碳蒸气使得蒸气与金属基材接触的温度，保持该温度至足以形成石墨烯晶格的时间，然后以可控的速率冷却基材，以形成沉积石墨烯。

Synthesis of graphene

The invention relates to a method for preparing high-quality graphene. In particular, the invention relates to a Dan Buzhou thermal method for using renewable biomass as a carbon source in ambient air or vacuum. In particular, the invention includes heating the metal base material and carbon source in the surrounding environment to produce carbon vapor from the carbon source to make the vapor contact with the metal substrate, maintaining the temperature enough to form the time of the graphene lattice, and then cooling the substrate at a controlled rate to form a graphene.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】石墨烯合成专利
本专利技术涉及制备高品质石墨烯的方法。具体地讲，本专利技术涉及可用可再生生物质作为碳源在周围空气或真空环境进行的单步骤热方法。
技术介绍
石墨烯显示独特的电子、光学、化学和机械性质。由于其极高电子迁移率(电子移动通过石墨烯比硅快100倍)、在可见光谱很低吸收和相对柔性和弹性(与无机物质比较，如氧化铟锡)，负载的水平石墨烯作为活性功能材料正变革很多领域。例如，石墨烯潜在可用于柔性、透明耐磨电子器件、能量储存装置(例如，燃料电池、超级电容器、光伏器件、锂离子电池等)、诊断和治疗用装置(例如，生物传感器、生物电子器件、药物输送)、水净化(例如，使用点过滤膜)和催化(例如，用于促进析氢反应)。控制石墨烯中缺陷含量、微结构和表面化学性质对石墨烯在这些应用中的潜力最大化至关重要。石墨烯可通过多种方法制备。到目前为止，已有少数通用方法针对大批量生产对广泛商业用途重要的石墨烯，最值得注意的是：•机械研磨石墨，并在溶液中分散，随后自组装。•SiC的热石墨化。•化学气相沉积(CVD)于金属基材上。在这三种方法中，在金属基材上CVD是最有希望的，因为其产生足够高品质的石墨烯膜，以允许更充分实现石墨烯的潜力。CVD也允许卷到卷(roll-to-roll)石墨烯合成。制备的石墨烯的品质对其作为高性能材料的能力至关重要。高品质石墨烯相对于理想完美规则sp2碳膜具有最少数量的缺陷，也很薄，即，制备的本体材料包含尽可能少的碳原子层。石墨烯的品质可在其电子和光学性能方面定量表示。低缺陷数量导致很低的膜电阻，一般可在约200Ω/sq。石墨烯中的缺陷可减少平面内电荷载体传输，这损害有效场发射、超快传感和基于纳米电子器件的装置所需的有希望性质。超薄膜，例如，只有一、二或三个碳原子层的那些膜，非常透明，并具有可用于光学显示器的高达97%的透射率。较厚的膜和其它形式石墨烯(例如，晶粒和涂层)可用于其它情况，如催化和过滤。非常期望控制生长的石墨烯厚度的能力。然而，在金属基材上CVD有一些固有限制。CVD设备本身复杂且昂贵。CVD消耗很大量电力，且像目前使用的其它热方法一样，需要低压真空环境。这意味着存在与CVD相关的相当大的资本成本和持续运行成本。同时，真空设备成本随真空室大小呈指数增加，这限制制造商以成本有效方式放大工艺的能力。CVD也需要使用昂贵的高纯化原料气。对基材钝化使用例如氢气的气体和用甲烷和乙烯作为碳源气体也意味着同样需要实施另外的危险保护。CVD也需要小时级的相对较长时间范围进行生长、退火和冷却步骤。这种内在需求意味着CVD不容易适用于快速大批量生产价格实惠的石墨烯。对石墨烯新方法的探索是工作很活跃的领域，很多研究者正研究安全、廉价和适于放大的高品质石墨烯的合成路线。例如，US8470400公开从在低压环境进行的化学气相沉积合成石墨烯。然而，像常规方法一样，在US8470400中公开的方法需要使用纯化气体、高温和长处理时间。WO2013036272公开结晶石墨烯及其制备方法。这种方法包括很高温度和长处理时间。它使用多个处理阶段，并且需要苛性化学物质和处理环境。US61/829423公开燃烧合成石墨烯和碳纳米材料。这种方法在很高温度和高压力下操作，并且需要长处理时间。WO2013066269公开用化学气相沉积从液碳前体合成碳纳米结构。然而，在WO2013066269中公开的方法需要使用纯化气体、多个处理步骤和长处理时间。对少数目前情况的这种简介，说明“当今技术水平”石墨烯合成需要高温、长处理时间，且在很多情况下需要昂贵的设备和耗材。本专利技术的一个目的是克服或改善至少一个现有技术缺点，或提供有用的替代。决不应认为在整个说明书中对现有技术的任何讨论是认可该现有技术众所周知，或形成本领域普通公知常识的一部分。专利技术概述在一个宽泛方面，本专利技术提供一种制备沉积石墨烯的方法，所述方法包括以下步骤：将金属基材和碳源在密封周围环境加热到从碳源产生碳蒸气使得蒸气与金属基材接触的温度，保持该温度至足以形成石墨烯晶格的时间，然后以可控的速率冷却基材，以形成沉积石墨烯。沉积石墨烯优选为膜形式，最优选连续膜形式。例如，本专利技术提供一种制备石墨烯膜的方法，所述方法包括以下步骤：将金属基材(例如，镍或铜)和碳源在密封周围环境加热到从碳源产生碳蒸气并使碳溶入金属基材的温度，保持该温度至足以形成石墨烯晶格的时间，然后以可控的速率冷却基材，使石墨烯晶格从金属基材析出，从而形成石墨烯膜。除非本文明确需要，在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”等应以包含性意义理解，与排它或穷举意义相反，即，以“包括但不限于”的意义理解。本文所用术语“析出”等，是指由此在金属基材晶格内扩散的碳原子沉淀出金属基材表面的过程。金属基材可以为过渡金属基材，最有利为镍或铜。镍金属基材优选具有99%以上的纯度。如果使用镍，则优选为多晶型。金属基材可以是任何适合形式。最常见其为膜形式，但也可以为晶粒、颗粒或甚至制造制品形式。在金属基材为颗粒形式时，应了解，石墨烯离散存在于颗粒表面上，例如，用一个或多个连续石墨烯层涂覆的金属颗粒。碳源可有利为生物质，或衍生自生物质或纯化生物质。生物质或纯化生物质可例如为长链甘油三酯(脂肪酸)，例如豆油，或者可以为纤维素材料。可使用可再生生物质。碳源可以为任何形式，例如液体或固体形式，液体通常有利。碳源与金属基材面积之比期望为对于每10cm2基材0.1至0.3g碳源内，即0.01-0.03mL/cm2。对于薄膜，0.01-0.025ml/cm2适合，而对于较厚膜，可使用0.025-0.03ml/cm2或更大。金属基材和碳源相互相邻布置，以便金属基材和碳源二者均位于一个加热区域。布置基材和源使得蒸发的前体能够接触基材。周围环境可以为大气压下的空气或真空。在一个实施方案中，周围环境为大气压下的空气。虽然关于空气描述本专利技术，但如果需要，可使用人工制备气体或模拟空气作用的气体的组合。可在压力下使用这些人工气体组合，以模拟处于周围压力的空气取得的效果。在另一个实施方案中，周围环境为真空，优选小于1mmHg。在具体实施方案中，优选金属基材为镍，周围环境为大气压下的空气。或者，优选金属基材为铜，周围环境为真空。与在本领域的大多数方法不同，本专利技术的方法不用压缩气体。不需要原料气。在一个实施方案中，密封环境包含在任何惰性容器，例如，石英或其它介电耐热容器，如石英、氧化铝或氧化锆管。足以形成石墨烯晶格的温度优选在650℃-900℃范围内。根据金属箔纯度，足以形成石墨烯晶格的温度优选保持3至15分钟。温度在约800℃保持3-15分钟之间的时间得到最多约19层石墨烯。可用较短时间范围制备单层石墨烯。可用增加时间形成1-3层厚度的石墨烯膜。可用增加时间到15分钟制备达到19层厚度的石墨烯。如果需要较厚石墨烯膜，则优选较高生长温度，例如，保持875℃以上或甚至约900℃的温度，经历3-15分钟之间的时间得到大于20层石墨烯。优选在900℃保持温度较短时间，用于形成20-40层石墨烯。增加时间到15分钟得到40层或更多(>40层)的增加石墨烯层。一旦石墨烯达到约40层或更多，可将其认作为超薄石墨形式。然而，应了解，虽然本专利技术的方法涉及石墨烯，但它们也包括可通过本专利技术方法制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备沉积石墨烯的方法，所述方法包括以下步骤：将金属基材和碳源在密封的周围环境中，加热到从碳源产生碳蒸气使得蒸气与金属基材接触的温度，保持该温度至足以形成石墨烯晶格的时间，然后以可控的速率冷却基材，以形成沉积石墨烯。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.08.14 AU 20159032851.一种制备沉积石墨烯的方法，所述方法包括以下步骤：将金属基材和碳源在密封的周围环境中，加热到从碳源产生碳蒸气使得蒸气与金属基材接触的温度，保持该温度至足以形成石墨烯晶格的时间，然后以可控的速率冷却基材，以形成沉积石墨烯。2.权利要求1的方法，其中所述沉积石墨烯为膜。3.权利要求2的方法，其中所述沉积石墨烯为连续膜。4.前述权利要求中任一项的方法，其中所述周围环境为大气压下的空气或真空。5.前述权利要求中任一项的方法，其中所述金属基材为过渡金属基材。6.前述权利要求中任一项的方法，其中所述金属基材为镍或铜。7.权利要求6的方法，其中所述金属基材为镍，且所述周围环境为大气压下的空气。8.权利要求7的方法，其中所述金属基材为99%以上纯度的镍。9.权利要求6至8的方法，其中所述金属基材为多晶镍。10.权利要求6的方法，其中所述金属基材为铜，且所述周围环境为真空。11.前述权利要求中任一项的方法，其中所述碳源为生物质或衍生自生物质。12.前述权利要求中任一项的方法，其中所述碳源为液体。13.前述权利要求中任一项的方法，其中所述碳源为豆油。14.前述权利要求中任一项的方法，其中所述方法无原料气。15.前述权利要求中任一项的方法，其中碳源与金属基材表面积之比为0.01-0.03mL/cm2。16.权利要求15的方法，其中碳源与金属基材表面积之比为0.01-0.025ml/cm2。17.权利要求15的方法，其中碳源与金属基材表面积之比为0.025-0.03ml/cm2。18.前述权利要求中任一项的方法，其中所述金属基材和碳源二者均位于一个加热区域。19.前述权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：DH徐，S皮内达，ZJ韩，K奥斯特里科夫，
申请(专利权)人：联邦科学及工业研究组织，
类型：发明
国别省市：澳大利亚,AU