CN102923695B - 一种石墨烯的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于石墨烯领域，其公开了一种石墨烯的制备方法，包括步骤：在清洗干净的衬底表面涂覆固态碳源化合物；将涂覆固态碳源化合物的衬底放入反应室，密封后对抽真空至10-3Pa以下，接着对衬底加热；当衬底温度达到400～1300℃时，保温1～300分钟后，停止加热，随后冷却至室温，在衬底表面制得所述石墨烯。本发明提供的石墨烯的制备方法，工艺流程简单，反应中无需添加额外的催化剂，且工艺设备要求不高，其制备成本低廉，适合于工业化生产。

Description

一种石墨烯的制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯领域，尤其涉及一种采用固态碳源化合物制备石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯是2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等发现的一种二维碳原子晶体，为单层或多层的极薄的碳材料。由于其独特的结构和光电性质使其成为碳材料、纳米技术、凝聚态物理和功能材料等领域的研究热点，吸引了诸多科技工作者。单层石墨烯具有大的比表面积，优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数，可用于效应晶体管、电极材料、复合材料、液晶显示材料、传感器等。
目前制备石墨烯的方法主要有石墨剥裂(Novoselov K S，Geim A K，etal.Science 2004，306，666)、化学氧化还原法[D A Dikin，et al.Nature 2007，448，457；Sasha Stankovich，Dmitriy A Dikin，Richard D Piner，et al.Carbon2007，45，1558]、超声剥离法(Guohua Chen，Wengui Weng，Dajun Wu，etal.Carbon.2004，42，753)等。然而这些方法制备出的石墨烯的形状基本上都是不规则的，且层数无法控制。
化学气相沉积法制备石墨烯薄膜的方法，是目前研究的热点；但该方法需要添加催化剂，且设备要求高，操作工艺复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对设备要求低、操作简单，且无需添加催化剂的石墨烯的制备方法。
一种石墨烯的制备方法，包括如下步骤：
S1、将衬底清洗干净、干燥，并将固态碳源化合物涂覆在所述衬底表面；
S2、将涂覆固态碳源化合物的所述衬底放入反应室，密封后对所述反应室抽真空至10-3pa以下，抽真空时间维持在1～30分钟，接着对所述衬底加热；
S3、当所述衬底温度达到400～1300℃时，保温1～300分钟后，停止加热，随后冷却至室温，在所述衬底表面制得所述石墨烯。
在上述步骤S3完成后，所获得的石墨烯是一种粗产品，该石墨烯中还包括固态碳源化合物反应后留下的杂质，为此，还需对步骤S3制得的石墨烯进一步纯化，故上述制备方法中还包括如下步骤：
S4、将步骤S3中制得的表面沉积有石墨烯的衬底放入稀酸溶液中浸泡0.1～24小时，去除石墨烯中的杂质，随后用水清洗、烘干，获得纯净的石墨烯。
上述制备方法中，所述稀酸溶液选址盐酸、硫酸及硝酸中的至少一种，且所述稀酸溶液的摩尔浓度为0.01～1mol/L；所述固态碳源化合物选自二茂铁、二茂钴、二茂镍及二茂锰中的至少一种；所述衬底选自铜箔、铁箔及镍箔中的至少一种。
上述制备方法的步骤S1中，所述衬底的清洗包括依次用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗。
上述制备方法的步骤S2中，在对所述反应室抽真空过程中，依次采用机械泵、罗茨泵及分子泵逐级将反应室抽至10-3pa以下。
本发明提供的石墨烯的制备方法，工艺流程简单，反应中无需添加额外的催化剂，且工艺设备要求不高，其制备成本低廉，适合于工业化生产。
附图说明
图1为本发明石墨烯制备工艺流程图；
图2为本实施例1制得石墨烯的SEM图。
具体实施方式
本发明提供的一种石墨烯的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1、将衬底清洗干净、干燥，并将固态碳源化合物涂覆在所述衬底表面；
S2、将涂覆固态碳源化合物的所述衬底放入反应室，密封后对所述反应室抽真空至10-3Pa以下，抽真空时间维持在1～30分钟，接着对所述衬底加热；
S3、当所述衬底温度达到400～1300℃时，保温1～300分钟后，停止加热，随后冷却至室温，在所述衬底表面制得所述石墨烯。
在上述步骤S3完成后，所获得的石墨烯是一种粗产品，该石墨烯中还包括固态碳源化合物反应后留下的杂质，为此，还需对石墨烯进一步纯化，故上述制备方法中还包括如下步骤：
S4、将步骤S3中制得的表面沉积有石墨烯的衬底放入稀酸溶液中浸泡0.1～24小时，去除石墨烯中的杂质，随后用水清洗、烘干，获得纯净的石墨烯。
上述制备方法中，所述稀酸溶液选自盐酸、硫酸及硝酸中的至少一种，且所述稀酸溶液的摩尔浓度为0.01～1mol/L；所述固态碳源化合物攥着二茂铁、二茂钴、二茂镍及二茂锰中的至少一种；所述衬底选自铜箔、铁箔及镍箔中的至少一种。
上述制备方法的步骤S1中，所述衬底的清洗包括依次用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗。
上述制备方法的步骤S2中，在对所述反应室抽真空过程中，依次采用机械泵、罗茨泵及分子泵逐级将反应室抽至10-3Pa以下。
本发明提供的石墨烯的制备方法，工艺流程简单，反应中无需添加额外的催化剂，且工艺设备要求不高，其制备成本低廉，适合于工业化生产。
下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步详细说明。
实施例1
1.将铜箔用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗后烘干，将二茂铁溶胶旋涂于铜箔表面；
2.将涂覆二茂铁溶胶的铜箔放到反应室，并密封反应室；依次采用机械泵、罗茨泵及分子泵逐级将反应室抽至10-3Pa以下，并保持10分钟后，关闭分子泵，开始对铜箔加热；
3.当铜箔温度达到400℃时，保温不变，开始生成石墨烯；
4.反应300分钟后，停止对铜箔加热，并冷却至室温，得到石墨烯粗产品；
5.将步骤4中制得的表面沉积有石墨烯粗产品的铜箔放入浓度为1mol/L的稀硝酸浸泡0.1小时，去除二茂铁反应后生成的铁颗粒及其它杂质，然后用去离子水洗净，烘干，获得纯净的石墨烯。
图2为本实施例1制得石墨烯的SEM图；从图中可以石墨烯二维薄膜状，厚度约为1-2nm，宽度约为0.5～5um，表面纯净且有明显褶皱形貌。
实施例2
1.将铁箔用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗后烘干，将二茂钴溶胶旋涂于铁箔表面；
2.将涂覆二茂钴的铁箔放到反应室，并密封反应室，依次采用机械泵、罗茨泵及分子泵逐级将反应室抽至10-3Pa以下，并保持30分钟后，关闭分子泵，开始对铁箔加热；
3.当铁箔温度达到1300℃时，保温不变，开始生成石墨烯；
4.反应1分钟后，停止对铁箔加热，并冷却至室温，得到石墨烯粗产品；
5.将步骤4中制得的表面沉积有石墨烯粗产品的铁箔放入浓度为0.5mol/L的稀盐酸浸泡8小时，去除二茂钴反应后生成的钴颗粒及其它杂质，然后用去离子水洗净，烘干，获得纯净的石墨烯。
实施例3
1.将镍箔用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗后烘干，将二茂镍溶胶刮涂于镍箔表面；
2.将涂覆二茂镍的镍箔放到反应室，并密封反应室，依次采用机械泵、罗茨泵及分子泵逐级将反应室抽至10-3Pa以下，并保持1分钟后，关闭分子泵，开始对镍箔加热；
3.当镍箔温度达到1000℃时，保温不变，开始生成石墨烯；
4.反应100分钟后，停止对镍箔加热，并冷却至室温，得到石墨烯粗产品；
5.将步骤4中制得的表面沉积有石墨烯粗产品的镍箔放入浓度为0.1mol/L的稀硫酸浸泡16小时，去除二茂镍反应后生成的镍颗粒及其它杂质，然后用去离子水洗净，烘干，获得纯净的石墨烯。
实施例4
1.将铁箔用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗后烘干，将二茂锰溶胶旋涂于铁箔表面；
2.将涂覆有二茂锰的铁箔放到反应室，并密封反应室，依次采用机械泵、罗茨泵及分子泵逐级将反应室抽至10-3pa以下，并保持20分钟后，关闭分子泵，开始对铁箔加热；
3.当铁箔温度达到700℃时，保温不变，开始生成石墨烯；
4.反应200分钟后，停止对铁箔加热，并冷却至室温，得到石墨烯粗产品；
5.将步骤4中制得的表面沉积有石墨烯粗产品的铁箔放入浓度为0.01mol/L的稀盐酸浸泡24小时，去除二茂锰反应后生成的锰颗粒及其它杂质，然后用去离子水洗净，烘干，获得纯化的石墨烯。
应当理解的是，上述针对本发明较佳实施例的表述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种石墨烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将衬底清洗干净、干燥，并将固态碳源化合物涂覆在所述衬底表面，所述固态碳源化合物选自二茂铁、二茂钴、二茂镍及二茂锰中的至少一种；
S2、将涂覆固态碳源化合物的所述衬底放入反应室，密封后对所述反应室抽真空至10-3Pa以下，抽真空时间维持在1～30分钟，接着对所述衬底加热；
S3、当所述衬底温度达到400～1300℃时，保温1～300分钟后，停止加热，随后冷却至室温，在所述衬底表面制得所述石墨烯。
2.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：
S4、将步骤S3中制得的表面沉积有石墨烯的衬底放入稀酸溶液中浸泡0.1～24小时，去除石墨烯中的杂质，随后用水清洗、烘干，获得纯净的石墨烯。
3.根据权利要求2所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述稀酸溶液选自盐酸、硫酸及硝酸中的至少一种；所述稀酸溶液的摩尔浓度为0.01～1mol/L。
4.根据权利要求1所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述衬底选自铜箔、铁箔及镍箔中的至少一种。
5.根据权利要求1至4任一所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，所述衬底的清洗包括依次用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗。
6.根据权利要求5所述的石墨烯的制备方法，其特征在于，步骤S2中，在对所述反应室抽真空过程中，依次采用机械泵、罗茨泵及分子泵逐级将反应室抽至10-3Pa以下。
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