一种通过对二维碳化物晶体进行氯化可控合成高品质石墨烯的方法技术

本发明专利技术涉及一种通过对二维碳化物晶体进行氯化可控合成高品质石墨烯的方法。具体的制备方法如下：在一定温度下向二维碳化物晶体中引入氯气，利用氯气与二维碳化物的刻蚀反应获得。此法能够可控合成单层、两层及少层，I

A method for controllably synthesizing high quality graphene by chlorination of two-dimensional carbide crystals

The present invention relates to a method for controllably synthesizing high quality graphene by chlorination of two-dimensional carbide crystals. The preparation methods are as follows: chlorine is introduced into the two-dimensional carbide crystal at a certain temperature, and the etching reaction of chlorine with two-dimensional carbide is obtained. This method can synthesize single layer, two layer and little layer, I

【技术实现步骤摘要】
一种通过对二维碳化物晶体进行氯化可控合成高品质石墨烯的方法
本专利技术涉及一种通过对二维碳化物进行氯化可控合成高品质石墨烯的方法，属于石墨烯可控制备

技术介绍
石墨烯是一种二维蜂窝状的碳材料，自04年被海姆和诺沃肖洛夫(Science,2004,306,666-669)发现以来，由于其独特的电学、力学、光学、热学性质，及其在电子器件、生物和化学传感器、储能器件及复合材料等领域的广泛应用，而备受理论及实验科学家的关注。理想的石墨烯材料应该是单层的，无面内缺陷的，这样才可以极大地保留其理论的电学、光学等特性。最近，两层及少层等特定层数的高质量石墨烯由于其特殊性质也引起了研究者们的兴趣。然而，如何可控地批量合成层数均一的高品质石墨烯正面临着诸多的挑战。目前，以下几种方法可有望解决这一难题：1)化学气相沉积法(CVD)，该方法是可控制备工业级高品质石墨烯产品的理想方法，然而该方法制备条件极为苛刻，成本昂贵，并且制备的石墨烯转移困难，阻碍了其工业化发展；2)液相或气相剥离法，该方法生产石墨烯具有成本低，操作简单，石墨烯质量高等优点，但也存在单层石墨烯产率不高、片层团聚严重、需进一步脱去稳定剂等缺陷，导致在可控合成石墨烯方面表现乏力；3)氧化还原法，这种方法高效，成本较低，并且能大规模工业化生产，其缺陷在于强氧化剂会严重破坏石墨烯的电子结构以及晶体的完整性，影响电子性质，因而在一定程度上限制了其在精密的微电子领域的应用。ClarieBerger等首次地利用外延生长方法制备出单层(JournalPhysicalChemistryB,2004,108,19912-19916)和多层(Science,2006,312,1191-1196)高品质石墨烯薄片并研究了其性能。通过加热，在单晶6H-SiC的Si-terminated(00001)面上脱除Si制取石墨烯。在Si表面的石墨薄片生长缓慢并且在达到高温后很快终止生长，而在C表面的石墨薄片并不受限，其厚度可达5到100层。形成的石墨烯薄片厚度由加热温度决定。这种方法可以得到两种石墨烯：一种是生长在Si层上的石墨烯,由于接触Si层，这种石墨烯的导电性能受到较大影响；另一种是生长在C层上的石墨烯，品质高，具有优良的导电能力。虽然该方法在可控制备高品质石墨烯上似乎有着光明的前景，但是这种方法条件苛刻(高温、高真空)、且制得的石墨烯不易从衬底上分离出来，难以进行工业化推广。为此，包信和等高温处理商业聚晶碳化硅得到了自支撑石墨烯片(AdvancedMaterials,2010,22,2168–2171)。随着Si-C键断裂及Si原子的蒸发，C原子在高温下自组装为石墨烯纳米片。此法合成简单，周期短，不需要成本高昂的基底，一定程度上降低了工业级高品质石墨烯的生产成本，然而由于并没有摆脱高温高真空合成条件的限制，因而合成成本依然很高。同时，该方法生产的石墨烯的尺寸及层数难以控制，因而限制了其在未来可控合成高品质石墨烯的发展。由此，研究一种成本低廉、合成简单，能够可控合成单层石墨烯及少层石墨烯片的方法具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种通过对二维碳化物晶体进行氯化可控合成高品质石墨烯的方法，此法能够可控合成单层、两层及少层，ID/IG小于0.5，面内缺陷数量较少，甚至无面内缺陷的石墨烯。为实现上述目的，本专利技术的技术方案：一种通过对二维碳化物晶体进行氯化可控合成高品质石墨烯的方法，其特征在于：在一定温度下向二维碳化物晶体中引入氯气，利用氯气与二维碳化物的刻蚀反应获得石墨烯。按上述方案，本专利技术技术方案中提到的二维碳化物是指二维碳化物的水平结构轴单位大垂直结构轴单位至少一个数量级，按水平方向最大尺寸分，可分为纳米级二维碳化物、微米级二维碳化物、厘米级及以上二维碳化物。按上述方案，本专利技术技术方案中提到的二维碳化物晶体为单晶二维碳化物及多晶二维碳化物。按上述方案，本专利技术技术方案中提到的二维碳化物包括碳化铍、碳化硼、碳化镁、碳化铝、碳化硅、碳化钙、碳化钪、碳化钛、碳化钒、碳化铬、碳化锰、碳化铁、碳化钴、碳化镍、碳化铜、碳化锌、碳化镓、碳化锗、碳化锶、碳化钇、碳化锆、碳化铌、碳化钼、碳化钌、碳化钡、碳化镧、碳化铪、碳化铊、碳化钨、碳化钽、碳化钍、碳化铀中的一种或者多种的混合，或者是两种和两种以上的上述金属与碳结合形成的二维碳化物如碳化铝钛等。按上述方案，本专利技术技术方案中氯化温度为200-2000℃不等，具体的氯化温度根据生成的氯化物的升华温度及石墨烯的品质而定，一般不超过1500℃。按上述方案，本专利技术技术方案中提到的氯化时间为15min-8h不等，氯化时间根据二维碳化物的种类、尺寸、数量及所要求生成石墨烯的层数及尺寸决定一般不低于15min。按上述方案，本专利技术技术方案中提到的氯气流速为1-100sccm不等，一般不超过80sccm，具体的根据石墨烯的层数及二维碳化物的种类及量而定。按上述方案，本专利技术具体步骤为：将二维碳化物前驱体放入加热炉中，在隔绝氧气条件下升温至氯化温度，通入氯气，进行氯化，氯化完成后关闭氯气源，在此氯化温度下通入惰性气体继续保温一段时间后随炉自然冷却得到。按上述方案，所述的隔绝氧气条件为通入惰性气体排除空气或者抽真空获得。按上述方案，所述的惰性气体为高纯氮气或氩气。按上述方案，在升温至氯化温度前，先升温至80℃-200℃，保温一段时间以去除样品表面吸附分子及基团，保温时间一般不超过4h，具体可选为1-4h；按上述方案，所述氯化后的保温时间为15min-12h。按上述方案，上述方法更为具体的，包括以下步骤：1)称取一定量二维碳化物晶体前驱体样品，放置在瓷舟中，振荡使二维碳化物均匀地平铺在瓷舟中；2)将装有二维碳化物前躯体的瓷舟放入管式炉上石英管的正中央，通入一段时间高纯氮气或氩气排除石英管中空气，或者在真空管式炉中抽真空至0.1Pa以下；3)升温至80℃-200℃，通常不超过150℃，保温一段时间，一般不超过4h，具体可选为1-4h；4)继续以一定速率一般不超过40℃/min升温至200-2000℃，待温度达到设定值以1-100sccm，一般不超过80sccm的速率通入氯气，通入氯气的时间依据二维碳化物前躯体的量及生成石墨烯的层数而定，一般不低于15min，可选为15min-8h，关闭氯气源，通入高纯氩气或氮气，在此温度下继续保温一段时间；5)继续通入高纯氩气或氮气，待管式炉温度自然降至室温后，取出样品，放入称量瓶中，以备使用。本专利技术技术方案中提到的二维碳化物可以通过选择性刻蚀法、球磨块体碳化物法或CVD法获得。本专利技术创造性地以二维碳化物晶体进行氯化，利用氯气与二维碳化物刻蚀反应生成氯化物，随着氯化物的生成与蒸发，碳原子重排，而可控合成得到了面内缺陷数量较少，甚至无面内缺陷，ID/IG小于0.5的少层甚至双层以及单层的石墨烯。可应用于高品质石墨烯的可控合成，同时对石墨烯基材料及其他碳材料的合成同样具有很强的借鉴意义。与
技术介绍
相比，本专利技术有以下突出优势：1)本专利技术中所使用的前驱体二维碳化物，原料来源广泛，成本低廉，同时所需要的合成条件温和，合成石墨烯的成本较低，二维碳化物可完全被氯化为石墨烯。本专利技术合成的高品质石墨烯基材料在能量转化及储存、精密电子、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过对二维碳化物晶体进行氯化可控合成高品质石墨烯的方法，其特征在于：在一定温度下向二维碳化物晶体中引入氯气，利用氯气与二维碳化物的刻蚀反应获得石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种通过对二维碳化物晶体进行氯化可控合成高品质石墨烯的方法，其特征在于：在一定温度下向二维碳化物晶体中引入氯气，利用氯气与二维碳化物的刻蚀反应获得石墨烯。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的二维碳化物是指二维碳化物的水平结构轴单位大垂直结构轴单位至少一个数量级，按水平方向最大尺寸分，可分为纳米级二维碳化物、微米级二维碳化物、厘米级及以上二维碳化物。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的的二维碳化物晶体为单晶二维碳化物及多晶二维碳化物。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的的二维碳化物包括碳化铍、碳化硼、碳化镁、碳化铝、碳化硅、碳化钙、碳化钪、碳化钛、碳化钒、碳化铬、碳化锰、碳化铁、碳化钴、碳化镍、碳化铜、碳化锌、碳化镓、碳化锗、碳化锶、碳化钇、碳化锆、碳化铌、碳化钼、碳化钌、碳化钡、碳化镧、碳化铪、碳化铊、碳化钨、碳化钽、碳化钍、碳化铀中...

【专利技术属性】
技术研发人员：木士春，寇宗魁，郭贝贝，孟天，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42