利用熔融态反应床制备石墨烯的方法技术

本发明专利技术提供一种利用熔融态反应床制备石墨烯的方法，其包括如下步骤：1)形成熔融态反应床；2)使裂解后的气态碳源持续通过所述熔融态反应床的表面；3)使碳在所述熔融态反应床中过饱和析出，从而在所述熔融态反应床上形成石墨烯。或者该方法包括如下步骤：①将固态或液态碳源与反应床物质混合，形成混合物；②将所述混合物熔化，使所述固态或液态碳源裂解，并形成含碳的熔融态反应床；③使碳在所述熔融态反应床中过饱和析出，从而在所述熔融态反应床上形成石墨烯。该方法成本低、效率高、污染少、制备的石墨烯质量好，并能解决困扰工程技术界的石墨烯剥离和转移难题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及新材料制备领域，具体说，涉及一种石墨稀的制备方法。
技术介绍
石墨烯是一种由碳原子以SP2杂化而形成的具有蜂巢晶格的二维晶体。2004年，英 国曼彻斯特大学的安德烈?海姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫成功地从石墨中分离出石墨烯， 并因此获得了 2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯具有优异的性能。首先，石墨烯的比表面积非常大，可达2630m2/g。其次， 石墨烯中的碳原子以SP 2方式杂化，每个碳原子与其相邻的三个碳原子通过σ键形成稳定 的碳-碳键，因而使石墨烯具有极高的力学性能，其杨氏模量可达llOOGPa，断裂强度可达 130GPa。再次，石墨烯中的π电子离域形成大π键，π电子可以自由移动，因此石墨烯具 有优异的导电性能，其载流子迀移速率可高达2 X IO5Cm2 · Γ1 · S'而电阻率只有KT8 Ωπι。 另外，石墨烯还具有良好的光学性能、热学性能和磁学性能等。因此，石墨烯具有巨大的潜 在应用价值，被认为是当代最重要的新材料之一。 目前，石墨烯的制备方法可以分为自上而下法和自下而上法，其中，氧化石墨还原 法为自上而下法中的主要方法。该方法为，先将石墨进行强氧化处理得到氧化石墨，再对氧 化石墨进行剥离得到氧化石墨烯，最后对氧化石墨烯进行还原得到石墨烯。在该方法中，强 氧化过程会严重破坏石墨烯片层的结构，而经过还原处理后只能部分恢复石墨烯片层的电 子共轭结构，因此得到的石墨烯质量不高。此外，石墨的氧化过程通常需要大量的强酸（如 浓硫酸、浓硝酸）或其它强氧化剂（如高锰酸钾溶液），而还原过程中还需要水合肼或者硼 氢化钠等有毒物质，因此该方法效率低、成本高、能耗大、污染严重。 化学气相沉积（CVD)外延生长法是自下而上法中的主要方法。该方法法为，在高 温下充入碳源气体（如甲烷、乙烷、乙炔等），碳源气体分解并在衬底上形成石墨烯。这种 方法可以在衬底（例如铜衬底）上形成高质量石墨烯，但对装置和生产条件要求严格、反应 时间长、产率低下、因使用大量危险气体而成本高昂。特别是，通过这种方法在衬底（如铜、 镍、碳化硅等）上生长的石墨烯很难从衬底上剥离。剥离时往往需要采用强酸腐蚀、高温气 化等极端方法，这就造成了成本高、环境污染大，并且会损伤石墨烯成品。
技术实现思路
本专利技术就是为了解决上述技术问题而做出的，其目的是，提供一种利用熔融态反 应床制备石墨烯的方法，该方法成本低、效率高、污染少、制备的石墨烯质量好，并能解决困 扰工程技术界的石墨烯剥离和转移难题。 为了实现上述目的，在本专利技术的一个方面，提供一种利用熔融态反应床制备石墨 烯的方法，其包括如下步骤：1)形成熔融态反应床；2)使裂解后的气态碳源持续通过所述 熔融态反应床的表面；3)使碳在所述熔融态反应床中过饱和析出，从而在所述熔融态反应 床上形成石墨烯。 优选地，形成所述熔融态反应床的物质在常温下为水溶性物质或可溶于弱酸弱碱 的物质。具体说，所述水溶性物质或可溶于弱酸弱碱的物质可以包括从水溶性的或可溶于 弱酸弱碱的无机盐、无机碱、氧化物、氮化物、碳化物中选择的一种或多种物质。进一步优选 地，在上述步骤3)之后还可以包括如下步骤：4)将所述熔融态反应床的温度降至常温，从 而形成表面上沉积有石墨烯的物质；5)将所述表面上沉积有石墨烯的物质浸入水或弱酸 弱碱中洗脱，从而得到石墨烯。 另外，优选地，所述气态碳源可以包括从脂肪烃、芳香烃、烃类衍生物、含碳高分子 聚合物中选出的一种或多种含碳物质。进一步，可以通过所述熔融态反应床的高温使所述 气态碳源进行裂解或者可以通过预热使所述气态碳源进行裂解来形成所述裂解后的气态 碳源。再进一步，在使所述气态碳源进行裂解或使碳从所述熔融态反应床析出的过程中，可 以使用铜、含铜合金、镍、含镍合金、铂、铂铑中的一种或多种作为催化剂。 再者，优选地，在上述步骤2)中可以同时通入从氮气、氩气、氢气、氨气中选出的 一种或多种气体，作为保护气体。 另外，优选地，在上述步骤3)之前，还可以包括在所述熔融态反应床中插入用于 石墨烯生长的固体衬底，从而当使碳在所述熔融态反应床中过饱和析出时，在所述固体衬 底上同时沉积石墨烯。 另外，优选地，在上述步骤1)中，可以在所述熔融态反应床中加入石墨烯籽晶。 在本专利技术的另一方面，提供一种，其包括如 下步骤：①将固态或液态碳源与反应床物质混合，形成混合物；②将所述混合物熔化，使所 述固态或液态碳源裂解，并形成含碳的熔融态反应床；③使碳在所述熔融态反应床中过饱 和析出，从而在所述熔融态反应床上形成石墨烯。 优选地，所述固态或液态碳源可以包括从脂肪烃、芳香烃、烃类衍生物、含碳高分 子聚合物、酞菁类物质中选出的一种或多种含碳物质。 优选地，所述反应床物质在常温下为水溶性物质或可溶于弱酸弱碱的物质。具体 说，所述水溶性物质或可溶于弱酸弱碱的物质可以包括从水溶性的或可溶于弱酸弱碱的无 机盐、无机碱、氧化物、氮化物、碳化物中选择的一种或多种物质。进一步，在步骤③之后还 可以包括如下步骤：④将所述熔融态反应床的温度降至常温，从而形成表面上沉积有石墨 烯的物质；⑤将所述表面上沉积有石墨烯的物质浸入水或弱酸弱碱中洗脱，从而得到石墨 烯。 优选地，在所述混合物中，可以加入铜、含铜合金、镍、含镍合金、铂、铂铑中的一种 或多种作为所述固态或液态碳源裂解或碳从所述熔融态反应床析出的催化剂。 优选地，在步骤②中可以同时通入从氮气、氩气、氢气、氨气中选出的一种或多种 气体，作为保护气体。 优选地，在步骤③之前，还可以包括在所述熔融态反应床中插入用于石墨烯生长 的固体衬底，从而当使碳在所述熔融态反应床中过饱和析出时，在所述固体衬底上同时沉 积石墨烯。 优选地，在步骤①中，可以在所述混合物中加入石墨烯籽晶。 从上面的描述和实践可知，本专利技术利用熔融态反应床来制备石墨烯，可以认为是 对常规的在固体衬底上气相沉积石墨烯方法的突破。本专利技术所用的设备投资小、简单易行、 成本低、效率高。在本专利技术的制备石墨烯的过程中，不需要使用强酸和其它强氧化剂、不需 要使用有毒物质，因此污染少、对石墨烯性能的影响小。通过从熔融态反应床中捞走析出的 石墨烯、或者通过将含碳的熔融态反应床冷却到常温后形成的表面上沉积有石墨烯的物质 浸入水或弱酸弱碱中洗脱得到石墨烯，可以容易地解决困扰工程技术界的石墨烯剥离和转 移难题。如果需要的话，也可以使石墨烯生长在通常难以生长的衬底上，从而便于制造器 件。另外，本专利技术制备的石墨烯质量好、性价比高，对制备石墨烯的原材料的纯度要求不高。【附图说明】 图1为本专利技术的一个方面所述的的流程图； 图2为酞菁镍的分子结构示意图； 图3为本专利技术的一个实施例所述的以氯化铜为反应床物质、以甲烷为碳源、以铜 箔为催化剂和固体衬底而制备的石墨烯的照片； 图4为本专利技术的一个实施例所述的以氯化钠为反应床物质、以苯为碳源而制备的 石墨烯的透射电镜（TEM)照片； 图5为本专利技术的一个实施例所述的以氯化钾为反应床物质、以酞菁镍为碳源而制 备的石墨烯的X射线衍射（XRD)图谱； 图6为本专利技术的一个实施例所述的以氯化钾为反应床物质、以酞菁镍为碳源而制 备的石墨烯的透射电镜（TEM)照片。【具体实施方式】 下面将参考附图来描述本专利技术所述的的实 施例。本领域本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用熔融态反应床制备石墨烯的方法，包括如下步骤：1)形成熔融态反应床；2)使裂解后的气态碳源持续通过所述熔融态反应床的表面；3)使碳在所述熔融态反应床中过饱和析出，从而在所述熔融态反应床上形成石墨烯。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙旭阳，
申请(专利权)人：孙旭阳，
类型：发明
国别省市：浙江;33