一种石墨烯的制备方法技术

本发明专利技术提供一种石墨烯的制备方法。利用乙醇等含碳燃料的火焰在生长有催化剂金属纳米晶层的基板上制取石墨烯；利用同时含有碳、氮元素的胺类液体产生的火焰，在相同的基板上直接制备氮掺杂的石墨烯。本发明专利技术提供了一种新的石墨烯的制备方法，并且操作简单。?

Method for preparing graphene

The invention provides a method for preparing graphene. Carbon containing fuel ethanol by the flame in the growth substrate catalyst metal nanocrystalline layer on the preparation of graphene; produce amine liquid by containing both carbon and nitrogen, the flame directly prepared graphene nitrogen doped on the same substrate. The invention provides a new method for preparing graphene and has simple operation. ?

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于碳材料领域，涉及。
技术介绍
石墨烯是一种特殊的片层结构，它于2004年由英国曼彻斯特大学科学家安德 烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁 ·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)发现(SCIENCE 2004, 306，666-669)，并获得了 2010年的诺贝尔物理奖。他们采用机械剥离法，通过多 次剥离，从高定向热解石墨上获得了仅由一层碳原子构成的单层石墨片，即石墨烯。研究 发现石墨烯具有各种远超现有材料的优异属性，例如世界上最薄的材料(单层石墨烯仅 0.335 nm)、目前已知强度最高的材料、韧性极好(弹性模量可达1. 1 !Pa)、优异的抗渗性 (He原子无法穿过)、突出的热导性能、室温下高速的电子迁移率、极高的比表面积(单层石 墨烯的理论比表面积高达^30m2/g)、最轻的载荷子等。利用石墨烯，能够研发一系列具有 特殊性质的新材料。例如，石墨烯晶体管的传输速度远远超过目前的硅晶体管，有望应用于 全新超级计算机的研发；石墨烯还可以用于制造触摸屏、发光板，甚至太阳能电池。与其它 材料混合，石墨烯还可用于制造更耐热、更结实的电导体，从而使新材料更薄、更轻、更富有 弹性，因此其应用前景十分广阔。石墨烯不仅带来一场电子材料革命，而且还将极大促进汽 车、飞机和航天工业的发展。目前，石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、化学还原法、SiC外延生长法、化学 气相沉积等。机械剥离法是最初是将高定向热解石墨剪切成石墨薄片，用胶带粘在薄片两侧， 然后撕开胶带将薄片一分为二，重复以上过程就可以得到石墨烯，甚至是单层的石墨烯。此 方法的优点是可以获得极高品质的石墨烯片；缺点是产量很低，且很难控制石墨烯片的大 小及层数。化学还原法是指利用强氧化剂氧化石墨，使其层间距变大、易于分离，利用超声等 方法剥离氧化石墨，还原剥离后的氧化石墨即可得到石墨烯。化学还原法的原材料来源广 泛、工艺简单、成本较低，可用于大量制备石墨烯；缺点是石墨烯的品质较低、层数难以控 制，产物多是单层、多层石墨烯的混合物。SiC外延生长法是在真空中加热SiC晶体，当温度达到1200°C 1500°C时，C-Si 键发生断裂，含C原子较多的平面中的Si原子被蒸发出来，而剩余的碳原子会在SiC晶体 (0001)面上排列成石墨烯结构。这种方法的优点是可以制备大面积的石墨烯；缺点是产量 低、成本高，且石墨烯片的厚度不均勻。化学气相沉积法利用高温分解碳氢气体，在极薄的镍催化剂中形成碳镍饱和固溶 体，然后在冷却过程中逐渐析出石墨烯片片层。其优点在于在获得高品质的石墨烯的同时， 还能在合理的成本下获得较理想的产率，另外在制备大面积的石墨烯方面也具备一定的潜 力。一般认为，在石墨烯中掺入氮原子能可以改变石墨烯的能带结构，使之发生从金属性到半导体性质的转变，此外，氮掺杂还能增强石墨烯的生物相容性。因此氮掺杂能够使 石墨烯的应用领域得以扩大。目前比较常见的氮掺杂石墨烯制法包括以氨气和甲烷为前 驱气体通过化学气相沉积法制备氮掺杂石墨烯；利用等离子渗氮方法制备氮掺杂石墨烯。 而这些方法的掺氮过程都在高温下进行，氮原子与石墨烯的结合不稳定，易随着时间增加 而流失。实验证明，利用火焰法直接制备掺氮石墨烯的方法相较现有的掺氮方法能获得氮 元素含量更高、稳定性更好的氮掺杂石墨烯。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题之一是提供。本专利技术采用的技术方案依次包括如下步骤(1)选择耐高温的材料作为基板，对基板的表面进行抛光；(2)在抛光好的基板表面生长一层金属的纳米晶薄膜，该层金属薄膜被用作生长石 墨烯的催化剂；(3)将基板置于含碳燃料产生的火焰中，镀有催化剂的一面朝向焰心，保持一段时间 后取出，冷却后，基板上镀有催化剂层的一面析出石墨烯薄膜。所述催化剂不仅要有助于燃料分子的裂解，还要能使裂解后产生的碳在其中形成 饱和固溶体。上述方案中，所述基板材质为以下材料中的一种纯金属板、各种合金板、单晶硅 片、多晶娃片等。所述的催化剂金属包括镍、钴、铜、铁等。所述催化剂薄膜的制备方法包括脉冲电沉积、磁控溅射等任何可以生长金属纳米 晶薄膜的方法。所述的含碳燃料可以是醇类、醚类等有机物，也可以是焦炭等固体燃料，还可以是 甲烷、乙炔和惰性气体混合物等气体燃料。本专利技术所要解决的技术问题之二是提供一种氮掺杂石墨烯的制备方法。依次包括 如下步骤(1)选择耐高温的材料作为基板，对基板的表面进行抛光；(2)在抛光好的基板表面生长一层金属的纳米晶薄膜，该层金属薄膜被用作火焰法生 长石墨烯的催化剂；(3)将基板置于同时含碳和氮的燃料产生的火焰中，镀有催化剂的一面朝向焰心，保 持一段时间后取出，冷却后，基板上镀有催化剂层的一面析出氮掺杂石墨烯薄膜。所述催化剂不仅要有助于燃料分子的裂解，还要能使裂解后产生的碳在其中形成 饱和固溶体。上述方案中，所述基板材质为以下材料中的一种纯金属板、各种合金板、单晶硅 片、多晶娃片等。所述的催化剂金属包括镍、钴、铜、铁等。所述同时含碳和氮的燃料可以为胺类中的一种或者任意几种的混合物，也可以是 在任意胺类加入任意醇类后形成的混合物。本专利技术的有益效果在于(1)为制备石墨烯和氮掺杂石墨烯提供了一种新的方法；(2)操作简单，易于控制。附图说明图1火焰法制备石墨烯装置图图2实施例1制得的石墨烯扫描电镜形貌图 图3实施例1制得的石墨烯的拉曼光谱图 图4实施例6制得的氮掺杂石墨烯扫描电镜形貌图 图5实施例6制得的氮掺杂石墨烯拉曼光谱图 图6实施例6制得的氮掺杂石墨烯的XPS谱图。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步阐述，但并不因此将本专利技术限制在所述的 实施例范围之内。实施例1 以2cmX 2cm大小的导电硅片为基板，将其中一面抛光至镜面，利用数 控脉冲电沉积电源以正向3V，反向IV的电压在含镍离子的电镀液(NiSO4 · 6H20 300 g/L, NiCl26H20 45 g/L, H3BO3 45 g/L, C7H5NO3S 5 g/L)中电镀40秒，在抛光后的表面电沉积 一层镍纳米晶薄膜。点燃以无水乙醇为燃料的酒精灯，将上述硅片镀有催化剂的一面朝向 焰心置于外焰中心处，保持1分钟后取出，并自然冷却至室温，制得纯石墨烯薄膜。利用扫描电子显微镜及激光纤维拉曼对实施例1中制得的产物分别进行了表征 如图2的扫描电镜形貌图所示，产物中观察到了薄膜状产物；对该薄膜产物进行拉曼光谱 分析，结果如图3所示，完全符合石墨烯的谱图特征。结果表明成功制得了石墨烯。实施例2 将以纯度为99. 9wt%的纯铜板切割成2cmX 2cm大小的实验基板，将其 中一面经砂纸打磨、机械抛光处理至镜面，用数控脉冲电沉积电源以正向3V，反向IV的电 压在含镍离子的电镀液(CuSO4 ·5Η20 210 g/L, H3BO3 45 g/L, NaF 2. 5g/L, C7H5NO3S 5 g/ L)中电镀40秒，沉积一层镍纳米晶薄膜。点燃以无水乙醇为燃料的酒精灯，将上述基板镀 有催化剂的一面朝向焰心置于外焰中心处，保持1分钟后取出，并自然冷却至室温，制得纯 石墨烯薄膜。实施例3 将合金钢切割成2cmX2cm大小的实验基板，将其中一面经砂纸打磨、机 械抛光处理至镜面，用数控脉冲电沉积电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯的制备方法，其特征在于，依次包括如下步骤：选择耐高温的材料作为基板，对基板的表面进行抛光；在抛光好的基板表面生长一层金属的纳米晶薄膜，该层金属薄膜用作生长石墨烯的催化剂；将基板置于含碳燃料产生的火焰中，镀有催化剂的一面朝向焰心，保持一段时间后取出，冷却后，基板上镀有催化剂层的一面析出石墨烯薄膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：潘春旭，张斌，曹兵，祁祥，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：83