CN103570006A - 一种石墨烯的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：清洗金属基底并干燥，放入化学气相沉积设备的反应室中，抽真空，将金属基底加热至300～500℃，开启表面波等离子体设备至功率为2～5kW，接着通入流量为50~500sccm的保护气体，随后通入流量为10~500sccm的含碳气体，保持反应时间为30~300min，停止反应，在金属基底表面制得石墨烯；其中，反应室中，含碳气体与保护气体的体积比为1:1～1∶10。本发明的制备方法反应温度较低，反应时间短，制备效率及产量较高。

Description

一种石墨烯的制备方法

技术领域

本发明属于新型碳材料合成制备领域，特别是涉及一种石墨烯的制备方法。

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，并获得2010年物理诺贝尔奖，再次引发碳材料研究热潮。其由于具有独特的结构和光电性质，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。石墨烯拥有优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数，可用于制备电极材料、复合材料等。

目前制备石墨烯方法有很多，如化学氧化还原法、化学气相沉积法、机械剥离法等，目前这些方法在石墨烯的质量、产量、反应温度等方面各有缺点，例如化学氧化还原法制备的石墨烯晶体缺陷多、质量差；常规化学气相沉积法反应温度高；机械剥离法产量低。此外，等离子体在化学气相沉积制备石墨烯中的应用已有报道，见专利申请CN102260858A（一种在各种基底上生长石墨烯的方法），但该方法中使用射频等离子体，能量分布在整个反应室中，使反应过程的温度高（500～1200℃）。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种石墨烯的制备方法，是一种利用表面波等离子体进行化学气相沉积，将反应能量集中在基底表面，进而低温制备石墨烯的方法。

本发明提供的一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

清洗金属基底并干燥，放入化学气相沉积设备的反应室中，抽真空，将金属基底加热至300～500℃，开启表面波等离子体设备至功率为2～5kW，接着通入流量为50~500sccm的保护气体，随后通入流量为10~500sccm的含碳气体，保持反应时间为30~300min，停止反应，在金属基底表面制得石墨烯；其中，反应室中，含碳气体与保护气体的体积比为1:1～1:10。

在功率为2～5kW下，在金属基底表面产生的能量大小适宜，从而生成结构完整，缺陷少的石墨烯。优选地，所述表面波等离子体设备的功率为2.5～4kW。

反应室中的气体压强对应反应过程中反应物的密度，与气体流量及表面波等离子体设备的功率一起，影响最终反应产物的结构和性能。在反应结束后冷却至室温的过程中反应室也充满保护气。优选地，所述反应过程中，控制反应室中工作压强为100~1000Pa，工作压强即为反应室中气体压强。更优选地，控制反应室中工作压强为150~800Pa。

优选地，所述金属基底具体可为：铁箔、铜箔、镍箔、钴箔或铝箔中的一种或其任意组合。所述清洗金属基底是用有机溶剂和去离子水进行超声清洗。所述有机溶剂为乙醇或丙酮中的一种或两种，其他性质相似的有机溶剂也可用，清洗的目的是去除金属基底表面的油污。

优选地，所述抽真空至0.1~10Pa。抽真空至0.1~10Pa以尽量排除反应室中的空气。

优选地，所述含碳气体具体可为：甲烷、乙烷、乙炔或乙醇中的一种或其任意组合。

优选地，所述保护气体具体可为：氮气或惰性气体中的一种或其任意组合。

在金属基底表面制得石墨烯后，除去金属基底，用去离子水清洗至滤液呈中性，随后于80～100℃干燥1～2h，得到石墨烯。除去金属基底的操作具体可以是将表面生长石墨烯的金属基底放入浓度为0.01～1mol/L的酸溶液或0.1～1mol/L的氯化铁溶液中浸泡，除去金属基底。所述酸溶液具体可为盐酸、硝酸或硫酸中的一种或多种。

本发明提供的一种石墨烯的制备方法，具有以下优异效果：

1.本发明利用表面波等离子体进行化学气相沉积制备石墨烯，反应温度低，反应时间短，制备效率及产量较高，产品性能可控。

2.由于表面波等离子体能量集中，使金属基底表面能量分布均匀，所得石墨烯表面平整、连续，结构完整，质量高，晶体缺陷少。

附图说明

图1为实施例一制备的石墨烯的SEM图。

具体实施方式

以下所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

实施例一

一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

将铁箔分别经过乙醇、丙酮和去离子水超声清洗去除表面油污后干燥，置于化学气相沉积设备中，密封，抽真空至10Pa时开始加热，至铁箔温度为500℃，开启表面波等离子体设备至功率为5kW，通入流量为10sccm的含碳气体甲烷，同时通入氮气，使甲烷与氮气的体积比为1:10，随后在铁箔上发生反应，并通过抽气***控制反应室中工作压强为100Pa，保持反应时间30min，生长石墨烯，反应结束，关闭表面波等离子体设备，停止通入甲烷，在氮气保护下冷却至室温后停止通入氮气，关闭抽气***，在铁箔表面制得石墨烯。

将表面生长石墨烯的铁箔放入浓度为0.01mol/L的盐酸中浸泡，除去铁箔，然后过滤，用去离子水清洗至滤液呈中性后在真空干燥箱中于100℃干燥1h，得到石墨烯。

图1为实施例一制备的石墨烯的SEM图，从图1中可以看出，石墨烯的厚度为1～2nm，宽度为5～10μm，表面平整、连续，结构完整。

实施例二、三、四、五、六均采用与实施例一相同的操作步骤，各个步骤中的操作参数及具体使用的物质，以及由四探针电阻测试仪测试实施例一~六制备的石墨烯的电导率数据见表1。其中，金属基底的清洗为本技术领域的常规操作，实施例一~六中的清洗操作均相同，制备过程中保护气体的种类均一致。

表1实施例一~六的具体操作参数及制备的石墨烯的电导率测试结果

注：

1、表1中，甲烷/10表示含碳气源种类为甲烷，10表示甲烷的通气流量为10sccm。

2、表1中，盐酸/0.01表示浸泡用溶液为盐酸，0.01表示盐酸的摩尔浓度为0.01mol/l。

由表1数据可见，本发明制备方法制备的石墨烯电导率为1.3~15.6×10⁴s/cm。

综上，本发明提供的一种石墨烯的制备方法，具有以下优异效果：

1.本发明利用表面波等离子体进行化学气相沉积制备石墨烯，反应温度低，反应时间短，制备效率及产量较高，产品性能可控。

2.由于表面波等离子体能量集中，使金属基底表面能量分布均匀，所得石墨烯表面平整、连续，结构完整，质量高，晶体缺陷少。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

清洗金属基底并干燥，放入化学气相沉积设备的反应室中，抽真空，将金属基底加热至300～500℃，开启表面波等离子体设备至功率为2～5kW，接着通入流量为50~500sccm的保护气体，随后通入流量为10~500sccm的含碳气体，保持反应时间为30~300min，停止反应，在金属基底表面制得石墨烯；其中，反应室中，含碳气体与保护气体的体积比为1:1～1:10。

2.如权利要求1所述的一种石墨烯的制备方法，其特征在于，所述金属基底为铁箔、铜箔、镍箔、钴箔或铝箔中的一种或其任意组合。

3.如权利要求1所述的一种石墨烯的制备方法，其特征在于，所述表面波等离子体设备的功率为2.5～4kW。

4.如权利要求1所述的一种石墨烯的制备方法，其特征在于，所述反应过程中，控制反应室中工作压强为100~1000Pa。

5.如权利要求4所述的一种石墨烯的制备方法，其特征在于，所述反应过程中，控制反应室中工作压强为150~800Pa。

6.如权利要求1所述的一种石墨烯的制备方法，其特征在于，所述保护气体为氮气或惰性气体中的一种或其任意组合。

7.如权利要求1所述的一种石墨烯的制备方法，其特征在于，所述含碳气体为甲烷、乙烷、乙炔或乙醇中的一种或其任意组合。

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