CN114940491A - 一种无褶皱石墨烯的低成本、规模化制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石墨烯制备技术领域，具体涉及一种无褶皱石墨烯的低成本规模化制备方法。所述制备方法包括以下步骤：1)在化学气相沉积反应炉中通入保护气氛，直至炉内没有杂质气体；2)将炉温升至700～900℃，向炉内通入碳源，反应10～20min；3)关闭电源，冷却至室温；4)取出样品，获得无褶皱石墨烯。本发明与常规铜箔等金属基体上制备无褶皱石墨烯的方法相比，本发明的制备方法具有工艺简单、性能稳定、不依赖金属生长基体等优势，适合低成本、规模化工业生产。
Description
技术领域
本发明属于石墨烯制备技术领域，具体涉及一种无褶皱石墨烯的低成本规模化制备方法。
背景技术
石墨烯的二维六边形网格结构使其具有优异的光学、电学、磁学、催化等性能。石墨烯的低成本、规模化制备是推动石墨烯在电学、磁学、催化等领域产业化应用的关键因素。与机械剥离法、化学剥离法等方法相比，以铜箔为基体的化学气相沉积法具有石墨烯生长质量高、生长面积大等优势，是最有前景实现石墨烯低成本、规模化制备的工艺方法，但褶皱缺陷仍是石墨烯化学气相沉积法制备面临的一项主要问题。
褶皱是石墨烯和铜箔具有不同热膨胀系数造成的。石墨烯具有负的热膨胀系数，而铜具有正的热膨胀系数。因此，在化学气相沉积反应的降温过程中，石墨烯和铜箔的体积变形不同，在石墨烯表面形成褶皱缺陷。研究表明，褶皱缺陷会降低石墨烯的电子迁移率和热导率，影响晶格声子振动等。总之，褶皱缺陷对石墨烯的光学、电学、磁学等性能都具有较大影响。调控铜箔晶体结构取向、获得低晶面指数生长基体是目前消除石墨烯褶皱缺陷的常用途径，但这些方法未能解决石墨烯和铜箔等金属生长基体之间的热膨胀系数差异这一根本问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种不采用金属生长基体，彻底消除石墨烯和金属生长基体之间热膨胀系数差异，实现无褶皱石墨烯低成本、规模化制备的化学气相反应方法。通过化学气相法，在不使用生长基体的条件下，利用化学气相法的气/液界面制备无褶皱石墨烯。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
本发明一方面提供一种无褶皱石墨烯的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
1)在化学气相沉积反应炉中通入保护气氛，直至炉内没有杂质气体；
2)将炉温升至700～900℃，向炉内通入碳源，反应10～20min；
3)关闭电源，冷却至室温；
4)取出样品，获得无褶皱石墨烯。
上述技术方案中，进一步地，所述步骤1)中保护气氛为氮气或氩气。
上述技术方案中，进一步地，所述步骤2)中碳源包括乙醇、甲烷或者樟脑中任意一种。
上述技术方案中，进一步地，所述步骤2)中升温速率为20～30℃/min。
上述技术方案中，进一步地，所述步骤3)中降温速率为2～3℃/min。
本发明另一方面提供一种上述制备方法制得的石墨烯。
本发明通过化学气相法，在不使用生长基体的条件下，调控反应前驱体、冷却速度、反应气氛等因素，碳源反应形成碳原子六元环，碳六元环再相互连结、长大，成为石墨烯的二维六边形网格结构。
本发明的有益效果为：
与常规铜箔等金属基体上制备无褶皱石墨烯的方法相比，本发明的制备方法具有工艺简单、性能稳定、不依赖金属生长基体等优势，适合低成本、规模化工业生产。
本发明制备方法可以实现高质量、大面积无褶皱石墨烯的低成本、规模化制备，为光学、电学、磁学、催化等领域提供高质量石墨烯材料。
附图说明
图1为实施例1制得的石墨烯宏观照片；
图2为实施例1制得的石墨烯透射电镜照片，a为放大5万倍，b为放大30万倍；
图3为实施例2制得的石墨烯透射电镜照片，a为放大3万倍，b为放大5万倍；
图4为实施例3制得的石墨烯透射电镜照片，a为放大3万倍，b为放大5万倍；
图5为实施例1-3制得样品与参比样品石墨烯的导电性能比较结果；
图6为实施例1-3制得样品与参比样品石墨烯的导热性能比较结果。
具体实施方式
以下实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
(1)选择乙醇作为碳源；
(2)在化学气相沉积反应炉中通入氩气保护气体，完成腔体清洗至炉内没有杂质气体；
(3)将炉温升至750℃，向炉内通入乙醇碳源，反应15min；
(4)关闭电源，在氩气保护气氛下，炉温以2℃/min的降温速度冷却至室温；
(5)取出样品，获得无褶皱石墨烯。
将实施例1制得的石墨烯进行导电、导热性能测试，结果表明，实施例1获得的无褶皱石墨烯电阻率为633Ω·cm-2，低于文献中报道石墨烯的983Ω·cm-2；实施例1获得的无褶皱石墨烯热导率为1125W·m-1K-1，高于文献中报道石墨烯的850W·m-1K-1。
实施例2
(1)选择樟脑作为碳源；
(2)将樟脑放置在石英舟内，并置于化学气相反应炉中，在化学气相沉积反应炉中通入氩气保护气体，完成腔体清洗至炉内没有杂质气体；
(3)将炉温升至850℃，反应20min；
(4)关闭电源，在氩气保护气氛下，炉温以3℃/min的降温速度冷却至室温；
(5)取出样品，获得无褶皱石墨烯。
将实施例2制得的石墨烯进行导电、导热性能测试，结果表明，实施例2获得的无褶皱石墨烯电阻率为618Ω·cm-2，低于文献中报道石墨烯的983Ω·cm-2；实施例1获得的无褶皱石墨烯热导率为1086W·m-1K-1，高于文献中报道石墨烯的850W·m-1K-1。
实施例3
(1)选择甲烷作为碳源；
(2)在化学气相沉积反应炉中通入氮气保护气体，完成腔体清洗至炉内没有杂质气体；
(3)将炉温升至800℃，向炉内通入甲烷碳源，反应15min；
(4)关闭电源，在氮气保护气氛下，炉温以3℃/min的降温速度冷却至室温；
(5)取出样品，获得无褶皱石墨烯。
将实施例3制得的石墨烯进行导电、导热性能测试，结果表明，实施例1获得的无褶皱石墨烯电阻率为597Ω·cm-2，低于文献中报道石墨烯的983Ω·cm-2；实施例1获得的无褶皱石墨烯热导率为1012W·m-1K-1，高于文献中报道石墨烯的850W·m-1K-1。
以上实施例仅仅是本发明的优选施例，并非对于实施方式的限定。本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种无褶皱石墨烯的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
1)在化学气相沉积反应炉中通入保护气氛，直至炉内没有杂质气体；
2)将炉温升至700～900℃，向炉内通入碳源，反应10～20min；
3)关闭电源，冷却至室温；
4)取出样品，获得无褶皱石墨烯。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中保护气氛为氮气或氩气。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中碳源包括乙醇、甲烷或者樟脑中任意一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中升温速率为20～30℃/min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中降温速率为2～3℃/min。
6.一种权利要求1～5任一项所述制备方法制得的石墨烯。
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