一种通过熔融含碳合金在凝固过程中析出碳制备石墨烯的方法技术

本发明专利技术公开了一种通过熔融含碳合金在凝固过程中析出碳制备石墨烯的方法，包括如下步骤：第一步，制备含碳金属或合金，金属或合金中碳含量≤10%；第二步，加热，使含碳金属或合金熔化或部分熔化；第三步，冷却，冷却速度为0.1℃/s～109℃/s，金属或合金凝固并在表面析出石墨烯。本发明专利技术特别是采用了一种类似制备非晶金属或合金的单棍制备方法，将熔融的含碳金属或合金熔体喷射到旋转的金属辊面上，使熔体快速冷却而得到石墨烯；本发明专利技术可以大规模、高质量、高速度、低成本的制备石墨烯，对实现石墨烯的产业化和真正获得应用具有重要的作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石墨烯制备领域，尤其涉及。
技术介绍
2004 年英国曼彻斯特大学 Geim 研究组(Novoselov KS, et al, Science, 2004,306: 666)通过机械剥离高定向热解石墨获得了单层石墨一石墨烯(Graphene),该工作打破了之前理论和实验上认为的完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在的认识而获得2010年的诺贝尔物理学奖。石墨烯是由单层Sp2杂化碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状结构，其独特的二维结构和极佳的晶体学质量使石墨烯具有很多特别的性质(VirendraS，et al, Progress in Materials Science, 2011, 56: 1178),如极高的导热能力(SOOOffm^r1 )，突出的力学性能(杨氏模量达到ITPa)，非常高的载流子迁移率(250，000cm2/Vs);高比表面积(2600m2/g);因石墨烯中的电子类似无质量狄拉克费米子而表现出的异常的量子霍尔效应；完整的单层石墨烯不能通过比氦大的原子等等。石墨烯的这些特别性质使其可以在很多方面获得潜在的应用，使一些材料或器件的性能获得极大地提高或创造出全新的材料和器件。例如，完整的单层石墨烯不能通过比氦大的原子的特性，可用于制造电池的电极材料、散热膜、理想的阻挡膜(Barrier Film)；高载流子迁移率特性可以用于制备超高速场效应晶体管及激光器；高透明性与高导电性，使其可能成为好的透明导电膜而替代目前普遍使用的ITO材料，用于触摸面板、柔性液晶面板、太阳能电池等方面；高的比表面积，可提高蓄电池和超级电容器的输出功率密度；而其优异的力学性能，则使其可以制造高性能复合材料，伸入太空的电梯等等。石墨烯优异性能和突出的潜在应用价值，激发了人们的研究热情。高效、方便、廉价地大规模制备出高质量的石墨烯并能对其进行成分、结构、形状的调控是实现其应用的基础。迄今，制备石墨烯的方法(任文才等，新型炭材料，2011，26(1) : 71)主要有机械剥离(Novoselov KS, et al, Science, 2004, 306: 666)、化学剥离(Park S，Ruoff RS,Nature Nanotechnol, 2009, 4: 217)或化学合成(Cai JM, et al, Nature, 2010, 466:470)、SiC 外延生长(Berger C，et al, Science, 2006, 312: 1191)、单晶金属表面外延生长(Kevin FM, et al, Carbon, 2009, 47:1806)、化学气相沉积(CVD 方法，Li XS, etal, Science, 2009, 324: 1312)等。这些方法各有优劣，机械剥离法可以获得采用其他方法时较难得到的高品质石墨烯片，设备工艺简单，但不易实现规模化生产；化学剥离方法容易实现石墨烯的规模化，但此法制备的石墨烯含有较多缺陷、带有大量的化学功能团、后续处理繁琐；化学合成法不容易获得面积较大的石墨烯；SiC外延生长可以获得大面积较高质量的单层石墨烯，但生长条件苛刻且难以转移，极大地限制了该制备方法的推广；单晶金属外延生长法是早期制备石墨片层的方法，但单晶金属衬底和高真空的使得金属外延生长过程成本昂贵且难以规模化；CVD方法，是先在高温含碳气氛中对金属进行渗碳，之后对金属进行快速冷却制备石墨烯的一种方法，该方法制备条件简单易行、可控，所获得的石墨烯质量高、面积大，易于转移到所需要的基板上，因此是一种较有前途的规模化制备石墨烯的方法，但目前在制备石墨烯的规模、质量和可控性上仍需发展提高。因此，对能够高效规模化生产石墨烯的方法的研究专利技术，仍然是富有挑战和亟待解决的，也是实现其最终应用的关键。从CVD方法制备石墨烯的机理可知，其中Ni等对碳有较高溶解度的金属，是利用在高低温度下碳在金属中溶解度的差异，在低温析出过饱和的碳而形成石墨烯的，而高温下渗碳则是使金属高温下长期处在含碳气氛下，碳逐步渗入金属而完成渗碳过程的。其中的高温渗碳过程时间较长，但其意义只是是金属的表面及浅表层渗入少量的碳，该渗碳过程，完全可以预制含碳的合金而获得。同时，虽然研究表明，采用CVD方法在Ni金属片上生产石墨烯时，降温速度如果太大，就不会得到石墨烯，但是，此碳的析出是以碳原子在固体金属中扩散为基础的，如果碳原子在液态或液态和固态的混合态中扩散，碳原子就会以更快的速度析出而能在更短的时间生成石墨烯，因此可以以更快的冷却速度获得石墨烯。在获得大的冷却速度方面，非晶合金的制备方法提供了很好的借鉴，例如单棍制备方法和双辊制备方法，锤砧法，类似于单棍方法、适合于高熔点合金熔化及冷却的熔滴法，离心法，喷 射方法，熔体沾出法(王娟娟，非晶态固体及其制备技术(课件))等等，都可以提供很高的冷却速度。而其中的一些方法,如单辊法，已经成为工业化的常规方法。因此,如果采用类似的技术手段，有可能开发一种大规模、高质量、高速度、低成本制备石墨烯的方法。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供，即将熔融状态的含碳合金冷却，使之在凝固过程中直接产生石墨烯，可以实现大规模连续制备石墨烯。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案 ，其特征是包括如下步骤第一步，制备含碳金属或合金，金属或合金中碳含量< 10% ;第二步，加热，使含碳金属或合金熔化或部分熔化；第三步，冷却，冷却速度为O. rc /s -IO9oC /S，金属或合金凝固并在表面析出石墨烯。所述的金属和合金可以通过各种方法使其熔化，包括中、高频加热，辐照加热、使用电阻炉加热，直接通电加热，加热温度应至少使金属或合金部分出现熔化。所述金属和合金熔体的冷却，包括目前所使用制造非晶金属或合金的熔体急冷方法，如制备非晶金属或合金的单棍方法和双辊方法等方法，本专利技术所专门提出的金属或合金熔体涂覆方法等等；也包括其他能使熔体冷却的方法，例如室温下自然冷却、放入保温炉中按照一定的冷却速度进行炉冷，采用将合金或合金熔体喷射形成粉体，熔体蒸发冷凝等等。冷却的速度依据要求，可从从O. rc/s到109°C/S，主要在102-107°c/s范围，特别是在103-107°C /s范围内效果最佳。将熔融态的含碳金属或合金采用各种方法使金属熔体冷却过程中，无论将合金熔化，还是冷却，都可以在真空状态、或特定压强下进行，可以在惰性气氛、还原气氛下进行，也可以直接在大气下进行。进一步，所述的含碳金属或合金主要包括过渡族金属，或是过渡族金属与其他元素所组成的二元合金或多元合金。所述的熔融含碳合金，为对碳有一定溶解度的金属或合金，与碳一起组成的含碳合金。这些对碳有一定溶解度的金属或合金，主要包括过渡族金属，或是过渡族金属与其他元素所组成的二元合金或多元合金，例如Ni、Fe、Pt、Ru, Cu/Ni等金属和合金等等。对碳有一定溶解度的金属或合金，还可以含有氮(N)、硼(B)、磷(P)、硫(S)等元素，这些元素在石墨析出的过程中同样也会析出，从而实现石墨烯的掺杂。 进一步，所述第二步在加热时，可将制备好的原料放入坩埚或带喷嘴的无机化合物管中，然后加热熔炼含碳金属或合金。喷嘴可以按要求设计为圆孔状、长条状、排孔状(多个孔排成阵列本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张迎九，胡晓阳，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：