石墨烯片及其制造方法技术

本发明专利技术涉及石墨烯片以及其制造方法，其中将石墨烯或氧化石墨的溶液施用到蓝钢衬底上并干燥。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】专利
本专利技术涉及。专利技术背景石墨烯是一种包含以六边形结构的形式(典型地通过sp2键)键合在一起的碳原子的单层的分子。石墨烯具有许多令人希望的热和机械特性，包括高热导率(5，000W/mK)、室温下的高电子载流量(250，OOOcmVVs)、高拉伸强度、以及高机械稳定性，具有ITPa的杨氏模量。石墨烯的这些特性使其在很多应用中有用，如传感器、电池、超级电容器、氢存储系统以及作为纳米复合材料的增强填充剂。石墨烯片可以是处于单层或多层石墨烯的形式，但是目前用于制造石墨烯片的方法是有限的。现有的用于制备石墨烯片的方法包括，化学气相沉积(CVD)到一种金属(即箔)衬底上、化学剥离、石墨的机械剥离、外延生长、碳纳米管切割以及直接超声处理。这些方法都具有它们自己的优点和缺点，特别是关于成本和可扩展性。目前的方法要求大量的过滤、化学分离过程、化学侵蚀过程以及其他环境上不清洁的步骤来产生一种功能性材料。此外这些方法不能很好地适合于大规模生产。专利技术概述本专利技术总体上涉及提供一种可以容易地扩大以生产石墨烯片的简化的方法。根据本专利技术的一个方面，提供了一种用于制造石墨烯片的方法，该方法包括:将一种石墨烯或氧化石墨溶液施用到一种蓝钢衬底上；以及将该溶液干燥以在该衬底上形成石墨烯片。如在此所使用的术语“石墨烯片”或“氧化石墨烯片”可以包括具有彼此共价键合的芳香族多环碳原子的单层的分子。术语“石墨烯片”或“氧化石墨烯片”还包括其中若干(即二、三、四、五至十、一至二十、一至五十、或一至一百)个碳原子单层堆叠在彼此顶部而不恢复回碳的分子。因此，如在此所使用的术语“石墨烯片”或“氧化石墨烯片”是指单层芳香族多环碳以及多个这种层堆叠在彼此之上。该方法可用于形成单层或多层片。优选地石墨烯片包括一至一百层碳原子。更优选地石墨烯片包括一至二十层，更优选地一至二十层，更优选地二至十层。特别优选的片具有2、3、4或5层碳原子。由本专利技术的方法形成的示例性石墨烯片可以包括在I与30个之间的原子层。这种片具有约Inm至约10nm的相应厚度。优选地这些片可以具有I至50nm的厚度并且更优选地2至1nm的厚度。特别优选的片具有2nm、3nm、4nm或5nm的厚度。所形成的片的厚度可以取决于这些片包括的层数。在本专利技术的一个实施例中石墨烯片是单层片。优选地该片具有约Inm的厚度。已经报道了不同厚度的单层石墨稀，范围从0.35nm至lnm(Nemes_Incze等人，2008年，碳(Carbon)，46 (II)卷:1435-1442页)。诸位专利技术人已经测量了石墨稀片为每层lnm。在另一个实施例中该石墨烯片是多层片。虽然在技术上没有限制可以堆叠的石墨烯片的数目，在实践中会到达某一个点其中石墨烯堆叠使石墨烯恢复回石墨。优选地该多层片具有不导致恢复回石墨的厚度。优选地该多层片可以具有最高达100纳米的厚度。由该方法生产的片的厚度可以变化。改变片厚度的方法包括当使用液滴流延技术来施用溶液时控制施用到蓝钢衬底上的溶液的小液滴尺寸的形成和/或控制在溶液中的氧化石墨的浓度。小液滴尺寸可以使用溶液密度、针尺寸和形状(取决于分配设备)、成形的和调谐的电场及其组合来控制。为达到2至3原子层厚度，优选的浓度为每10ml的H2O约2mg的石墨稀或氧化石墨。为达到更厚的层，将溶液调节为每10ml的H2O在3mg至6mg之间的石墨稀或氧化石墨稀。实验表明为达到单原子层将要求每10ml的!120，0.1至1.5mg的石墨烯或氧化石墨烯。不希望被任何特定理论所束缚，诸位专利技术人相信使用蓝钢作为金属衬底在其上形成石墨烯片有助于在该衬底上形成的片的释放。蓝钢是一种包括镍和铬的钢合金并且具有一种球化的碳结构并且是从多家制造商(包括JFE)可商购的。蓝钢在US 8，071，018和US8，052，812中进一步描述，其内容通过引用结合在此。石墨烯或氧化石墨溶液可以通过任何适合的方法来制备。制备的溶液可以取决于所希望的石墨烯片的功能性、处理这些片所要求的时间、以及在石墨烯片与蓝钢衬底(在其上制备石墨烯片)之间的表面张力。一种用于制备氧化石墨溶液的方法涉及使石墨经受氧化处理。一种这样的氧化处理过程包括将石墨放入烧瓶中并加入浓硫酸。然后将该混合物冷却。在一段时间内将高锰酸钾以多个少量部分添加到该冷却的混合物中。在加入KMnO4之后将该混合物在35°C下搅拌2小时。在两个小时的时间之后，将水加入到该反应混合物中并继续搅拌。然后将该反应混合物倒入水中并通过添加足够量的过氧化氢的水溶液来中和过量的ΚΜη04。通过过滤回收氧化石墨。将该过滤的氧化石墨用HCl溶液洗涤直至通过氯化钡试验不再检测到硫酸土卜ΠΤΤ.0还在Hummers 等人，美国化学会志(Journal of the American ChemicalSociety)，1958年，第80卷，第1339页描述了产生氧化石墨的氧化处理。还可以使用其他方法来制备氧化石墨溶液。用于制备氧化石墨溶液的其他方法包括但不限于布罗迪方法(Brodie's Method)，以及超声分散法。优选地氧化石墨在溶液中存在的浓度为从约0.lmg/ml至100mg/ml。氧化石墨溶液可以进一步含有氨溶液。氨可以存在的浓度为高达约1% (v/v)。优选地小于0.1% (v/v)的氧化石墨溶液是氨。过多铵将损害当将氧化石墨溶液施用到蓝钢上时它的展开。当超过1% (v/v)的氧化石墨溶液是铵时，当施用到蓝钢衬底上时这可能导致该溶液结块，从而恢复回石墨。此外，随着时间的推移氨将与该衬底反应并将它损坏。不推荐用氨基溶液超过24小时的干燥时间，因为氨侵蚀衬底材料。然而，将少量的铵添加到氧化石墨溶液中可以增强石墨烯片从蓝钢衬底的释放。氨可以存在的浓度为从约0.lg/L至约0.5g/L的范围。在将氧化石墨溶液施用到蓝钢衬底上之前将铵溶液添加到该溶液中。待使用的铵的量依赖于溶液中的氧化石墨颗粒的尺寸。优选的颗粒尺寸范围为从10至60微米，然而也可以使用低至I μπι或更小的颗粒尺寸。颗粒的浓度和所希望的增厚的最终石墨烯片。该溶液可以通过液滴流延施用到蓝钢衬底上。还可以使用其他方法如喷雾干燥、旋涂。可将氧化石墨溶液施用到蓝钢的表面上以形成一个薄膜并干燥。干燥可以通过空气干燥或其他技术发生。优选地允许该石墨烯片在该蓝钢衬底上干燥高达32小时。优选地这些片可以干燥高达20至24小时。优选地这些片在室温或高达35°C下干燥。使用这种方法推荐缓慢干燥，以便不引起溶液中起泡，这种起泡打乱了石墨烯或氧化石墨烯晶体，导致产生不平的表面。虽然简单，由于热变化和不受控制的收缩，空气干燥可能导致材料的不一致。可以使用其他干燥方法来辅助干燥过程。在一个特别优选的实施例中，干燥是使用多频红外辐射在真空中或在氮气中实现的。该干燥方法涉及用在500至100瓦特范围内的功率施加远、中以及短红外线频率50至500nsο当在真空下进行时，该真空压力是3kPa至lOOmPa。可替代地，该方法可以在干氮气流下以10托，每分钟50标准立方厘米(sccm)进行。水蒸汽通过蒸汽吸收材料(诸如水凝胶晶体)捕获在气相中。一种使用远、中和短红外辐射的混合物的脉冲模式设备可被用于在短时间范围(这取决于产生的片的表面积)内快速干燥材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造石墨烯片的方法，该方法包含：将石墨烯或氧化石墨溶液施用到蓝钢衬底上；将该溶液干燥以在该蓝钢衬底上形成石墨烯或氧化石墨烯片。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·里肯，
申请(专利权)人：真实二材料有限公司，
类型：发明
国别省市：新加坡;SG