通过石墨剥离形成石墨烯的方法技术

本发明专利技术涉及通过石墨剥离形成石墨烯(G)的方法，其中所述方法包括：提供具有碳的原子层(11)的石墨样品(10)；将盐(12)和溶剂(14)引入所述原子层之间的空间(9)中；使用来自所述溶剂和所述盐的有机分子和离子使所述空间膨胀；以及使用驱动力(45)将所述原子层分开，以形成一个或更多个石墨烯片。由所述方法生产的石墨烯可用于形成太阳能电池(70)、进行DNA分析、以及用于其他电学、光学和生物学应用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开内容涉及形成石墨烯的方法，尤其涉及。
技术介绍
石墨烯(G)是ニ维原子碳片，其具有非常吸引人的物理、光学和机械特性，包括高电荷载流子迁移率、创纪录的热导率和刚度。目前，可扩大規模的石墨烯合成方法主要包括由基于溶液的石墨氧化物介导的途径和化学气相沉积(CVD)。 由石墨氧化物形成石墨稀的方法广生晶体质量不良和缺陷密度闻的石墨稀样品。由这些方法制备的膜需要高温退火エ艺来将石墨烯从绝缘体转化为导体。CVD方法适用于制备大面积薄膜，但是禁受不住基于溶液的加工。石墨烯复合材料、掺合物、墨等的大量加エ需要基于溶液的加工。基于溶液通过直接剥离/插入来合成石墨烯的常规方法的产率一般小于10%。这意味着90%的原料(石墨)仍未被剥离，而仅有10%或更少的原料以石墨烯薄片回收，每ー个均包含ー层或多层石墨烯。这些低产率方法的问题在于它们需要多个步骤来生产足够的产物用于进一歩加工，并且包括将未剥离材料与剥离材料分开的冗长的多个步骤。因此，需要直接从石墨形成石墨烯薄片的高产率方法，其绕过氧化处理，即不形成石墨烯氧化物(GO)。
技术实现思路
本公开内容描述了ー种在不经历氧化路线(即，不形成sp3碳，如石墨烯氧化物)的情况下将石墨直接剥离成“多层”(即，一层或更多层)石墨烯(sp2碳)的高产率(例如> 90% )方法。本申请所述方法的特征在于它不使用氧化剂(如硝酸(HNO3)或硫酸(H2SO4))作为试剂。由本申请所述方法生产的剥离石墨烯可分散于溶液并且容易从不可溶母体化合物石墨中回收。这些剥离石墨烯薄片可被多种有机和无机成分官能化。所述高产率方法允许大批合成大量的高质量石墨烯，用于エ业规模加工聚合物共混物、复合材料、电容器、锂存储、DNA提取、生物传感器、太阳能电池、导电纸和导电透明片。本公开内容的ー个方面涉及使用由本申请公开方法产生的石墨烯来制造纳米晶体/石墨烯异质结太阳能电池，从而可使其具有创纪录的功率转换效率(例如3. 2% )。还公开了适用于旋铸、辊对辊(roll-to-roll)、喷墨印刷或其他基于溶液之技术的石墨烯溶液，其有助于制造多种多样的基于石墨烯的器件。基于溶液的器件的制造方法成本低、可规模化并且毒性低。还描述了本申请形成的石墨烯在太阳能电池和高灵敏度生物提取和检测，以及形成不透明导电片(例如，由纸形成)或透明导电片(例如，由塑料形成)中的用途。本公开内容的ー个方面是将石墨剥离成ー层或更多层石墨烯(例如“多层石墨烯”)的高产率无氧化方法。该方法可充当高质量导电石墨烯的大批加工途径，进而可规模化为エ业生产。与氧化物衍生的石墨烯相比，由本方法生产的石墨烯薄片的缺陷更少、导电性更高并且疏水性更高，从而使得与由氧化方法形成的石墨烯薄片相比，所述石墨烯薄片更适用于太阳能电池和其他应用。以上的一般性描述和以下的详细描述呈现了本公开内容的一些实施方案，并且旨在提供概述或框架以理解所要求保护的本公开内容的性质和特征。包括附图以提供对本公开内容的进ー步理解，其并入本说明书并且构成其一部分。附图例示了本公开内容的多个实施方案和描述，作用是解释本公开内容的原理和操作。所附权利要求并入本说明书并且构成其一部分。 附图的简要说明附图说明图1a是形成多层石墨烯G的石墨剥离エ艺的示意性概述图，并且还例示了可用作太阳能电池有源层的纳米晶体/石墨烯异质结的制造；图1b是一般的基于石墨烯的异质结的示意图；图2a_2b是使用本申请所述的方法从石墨剥离的多层石墨烯G的SEM图像，并且图2c是其原子力显微镜(AFM)图像；图2d是Si基底上多层石墨烯G与石墨相比的拉曼光谱(514nm激光)图；图3a_3g是纳米晶体/石墨烯异质结的电子显微镜图像；图4a_4c是例示在薄膜太阳能电池(即光伏或“PV”)器件的实例中，量子点/石墨烯有源层ー个实例的光学特性和光电特性的图；图5a是使用本申请所述方法形成的石墨烯G的SEM图像；图5b示出两张照片，左边的照片是浮在水上的原始G片，右边的照片是在与单链DNA(ss-DNA)相互作用之后的G-ssDNA ；图5c和5d是对于石墨烯G和石墨烯氧化物GO 二者，ssDNA(图5c)和蛋白HCC(图5d)的吸附材料(mg/g)与材料(PM)浓度的图；图6a和6b绘制了游离ssDNA和G-DNA (图6a)以及天然HCC、石墨烯G和石墨烯氧化物GO上吸附的HCC (图6b)的圆二色(⑶)光谱；图6c示意性例示了石墨烯G如何用作G-ssDNA SELDI探针；图6d绘制了在对l:5ssDNA与蛋白质混合物(上)提取之后和用去离子水洗涤之后(下图)直接得到的SELD1-TOF MS谱；图6e绘制了激光能量密度设定为40mJ cm_2，将石墨烯G(上图)和石墨烯氧化物GO (下图)用作SELDI探针，BP母体离子和碎片离子的MS谱；图6f绘制了使用基于石墨烯G(上图)和石墨烯氧化物GO(下图)的SELDI探针的HCC的MS谱；图7a至7d例示了可用于制备高导电纸的薄片状石墨烯(FLG)粉末及其衍生的墨(G-1NK)的多种特性；图7e绘制了对于涂有不同量石墨烯墨的纸片，相对于石墨烯负荷量(mg/cm2)的纸电阻(単位为欧姆/平方)；图8a和图8d例示了通过手工打磨干燥FLG粉末使用高度连续的FLG膜在塑料基底上形成示例性的透明导电基底(片)；图Sc绘制了对于四种示例性透明导电片，相对于波长(nm)的透光率)；图8d绘制了对于没有退火处理的四种示例性导电片，相对于透明度)的电阻(千欧/平方)；图9a至图9e是CdTe/石墨烯/PbS-TiO2的不对称纳米晶体/石墨烯异质结的电子显微镜表征；·图9f和图9g是示例性CdTe/石墨烯/PbS-TiO2片的电子衍射图；图9h绘制了 CdTe/石墨烯/PbS-TiO2片的EDX分析结果；以及图9i绘制了分散于异丙醇的图9h的CdTe/石墨烯/PbS-TiO2片的浓度依赖性光吸收光谱(吸光度与波长)，并且为了比较示出了 “仅有石墨烯”的分散体。附图中描述的多种要素仅是代表性的，并且不一定按比例绘制。其某些部分可扩大，而另一些可缩小。附图g在例示本公开内容的示例性实施方案，从而可被本领域技术人员理解并恰当实施。专利技术详述本公开内容的方面针对在不形成石墨烯氧化物的情况下由石墨形成石墨烯G的方法。该方法可以以高效率(例如>90%)的方式实施。本公开内容的方面还包括使用本申请所述的方法生产的石墨烯G在例如生物技术和太阳能电池等领域中的多种用途和应用。在以下的讨论中，在适当情况下石墨烯G有时称为G，石墨烯薄片称为FLG，石墨烯氧化物称为G0。图1a是与通过剥离石墨10形成多层石墨烯G有关的方法步骤的示意图，并且还示出与形成纳米晶体/石墨烯异质结太阳能电池有关的一般性制造步骤。在石墨烯形成方法的一个实例的第一歩中，提供了初始(原始)石墨样品(材料)10。在第二步中，将石墨样品插入电解质溶液13的金属盐12中，例如在锂盐/有机电解质溶液中充电，用于自身膨胀。在第三步中，进行短时间的放电酸处理步骤30以除去任何固体盐。一种示例性酸处理使用HCl。在第四步中，在声处理步骤40中使经处理的石墨10的原子层剥离，所述声处理步骤40包括在混合溶剂14(例如使用超声的化学浴，例如VCX7本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.06.25 US 61/398,4681.一种形成石墨烯的方法，其包括提供具有碳的原子层的石墨样品，所述原子层之间有空间；将溶剂和离子引入所述原子层之间的所述空间中；使用所述溶剂和所述离子中的至少一种使所述原子层之间的所述空间膨胀；以及使用驱动力使所述原子层分开以形成一个或更多个石墨烯片。2.权利要求1的方法，其中所述驱动力是以下中的至少一种电化学驱动力、热驱动力、微波驱动力、溶剂热驱动力、声化学驱动力和声波驱动力。3.权利要求1的方法，其还包括通过电解质溶液以金属离子形式提供所述离子。4.权利要求1的方法，其还包括以下中的至少一者a)以锂离子、溶剂化离子、锂离子络合物中的至少一种的形式提供所述离子；以及b)以包含有机分子和所述离子的有机溶剂的形式提供所述溶剂。5.权利要求1的方法，其包括使所述石墨烯形成为一个或更多个石墨烯薄片或者一个或更多个石墨烯衍生物片。6.权利要求1的方法，其中所述石墨样品选自包括以下的石墨样品天然石墨、石墨矿、合成石墨、高定向热解石墨(HOPG)、石墨纤维、石墨棒、石墨粉和经化学改性的石墨。7.权利要求1的方法，其中所述溶剂包含以下中的至少一种 碳Ife亚丙酷；N，N-二甲基甲酰胺(DMF)；二甲亚砜(DMSO)；单一溶剂；和不同溶剂的混合物。8.权利要求1的方法,其还包括将所述石墨烯与量子点组合以形成异质结，所述异质结被配置成作为光伏器件的有源元件起作用。9.权利要求8的方法，其中所述组合包括进行以下中的至少一者溶胶-凝胶工艺、热注射工艺、化学气相沉积工艺、纳米团簇沉积工艺和溅射工艺。10.权利要求8的方法，其中所述组合包括不同纳米晶体在所述一个或更多个石墨烯片的不同侧上的不对称沉积。11.权利要求10的方法，其还包括用所述石墨烯作为表面活性剂界面提供疏水/亲水溶液环境；提供疏水和亲水前体以形成纳米晶体、颗粒和聚合物中的至少一种；以及使所述纳米晶体、颗粒和聚合物中的至少一种沉积在所述表面活性剂界面上。12.权利要求8的方法，其包括以硫属化物半导体纳米晶体的形式提供所述量子点。13.权利要求1的方法，其还包括将所述一个或更多个石墨烯片分散于有机溶剂中。14.权利要求1的方法，其还包括形成提供于所述一个或更多个石墨烯片的相对侧上的不同的纳米金属或半导体纳米晶体，以形成基于石墨烯的不对称异质结。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗建平，王俊中，
申请(专利权)人：新加坡国立大学，
类型：
国别省市：