CN103172054A - 一种石墨烯的制备方法 - Google Patents

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周明杰
袁新生
王要兵
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Oceans King Lighting Science and Technology Co Ltd
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Abstract

本发明提供了一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：将金属材质的衬底清洗后烘干；将烘干后的衬底设置在反应室中，往反应室通入保护性气体；随后将反应室加热，通入还原性气体；将氧化石墨粉体加入反应室内进行反应；反应完成后，停止加入氧化石墨粉体及停止通入还原性气体，在保护性气体气氛下冷却至室温，在衬底表面制得石墨烯。本发明提供的石墨烯的制备方法以氧化石墨为原料，在高温以及还原性气氛中进行还原制得石墨烯，相比传统的溶液还原法，本发明制备时间短，所需设备占地面积小，操作简易可行，无需过滤，生产效率高，易于实现自动化及工业化生产。

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，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，为单层或多层的极薄的碳材料。单层石墨烯拥有优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数，并且其理论比表面积高达2630m2/g(A Peigney，Ch Laurent，et al.Carbon，2001，39，507)，可用于效应晶体管、电极材料、复合材料、液晶显示材料和传感器等。
石墨烯的研究和应用对它的大批量、低成本制备提出了迫切要求。目前制备石墨烯的方法主要有石墨剥裂(Novoselov K  S，Geim A K，et al.Science 2004，306，666)、超声剥离法(Guohua Chen，Wengui Weng，Dajun Wu，et al.Carbon.2004，42，753)和化学氧化还原法(D A Dikin，et al.Nature 2007，448，457；SashaStankovich，Dmitriy A Dikin，Richard D Piner，et al.Carbon 2007，45，1558)等。其中，石墨剥裂法和超声剥离法不利于大规模的制备，化学氧化还原法是目前最容易实现产业化的方法。
通常，氧化还原法制备石墨烯的过程为：先制备氧化石墨，然后将氧化石墨配成浓度约为1g/L的溶液放到反应斧，水合肼溶液还原24小时或更久(SashaStankovich，Dmitriy A Dikin，Richard D Piner，et al.Carbon 2007，45，1558)。但是该方法的实施不仅需要使用大型的反应斧，而且反应时间太长，石墨烯的清洗过滤困难，过滤后还容易团聚，不利于发挥石墨烯的优点，生产效率低。
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，该方法以氧化石墨为原料，在高温下通过还原性气体进行还原制得石墨烯。相比传统的溶液还原法，本发明制备时间短，所需设备占地面积小，操作简易可行，无需过滤，生产效率高，易于实现自动化及工业化生产。
本发明提供的一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
(1)将金属材质的衬底清洗后烘干；
(2)将烘干后的衬底设置在反应室中，往反应室通入气流量为10～1000sccm的保护性气体，并保持1～60分钟；
(3)随后将反应室加热至900～1100℃，通入气流量为10～200sccm的还原性气体，并保持5～10分钟的通气时间；然后以1～10g/min的速度将氧化石墨粉体加入反应室内进行反应，保持反应10～60分钟；
(4)反应完成后，停止加入氧化石墨粉体及停止通入还原性气体，在保护性气体气氛下冷却至室温，在衬底表面制得石墨烯。
所述石墨烯的制备方法中，步骤(1)中：
优选地，衬底为不锈钢箔和镍箔中的一种或其组合；
优选地，衬底的清洗过程包括：依次用去离子水、乙醇和丙酮分别对所述衬底进行超声清洗。
所述石墨烯的制备方法中，步骤(2)中：
优选地，保护性气体为氮气和氩气中的一种或其组合；优选地，往反应室内通入保护性气体后保持20～30分钟。
所述石墨烯的制备方法中，步骤(3)中：
优选地，还原性气体为氢气和肼蒸气中的一种或其组合；
优选地，加入氧化石墨粉体的粒径为100～400目。
本发明提供的石墨烯的制备方法以氧化石墨为原料，在高温以及还原性气氛中进行还原制得石墨烯，相比传统的溶液还原法，本发明制备时间短，所需设备占地面积小，操作简易可行，无需过滤，生产效率高，易于实现自动化及工业化生产。
附图说明
图1为本发明的石墨烯连续制备工艺流程图；
图2为本发明实施例一所制备的石墨烯的SEM电镜图。
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。
图1为本发明的石墨烯连续制备工艺流程图。
一种石墨烯的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)将金属材质的衬底清洗后烘干；
(2)将烘干后的衬底设置在反应室中，往反应室通入气流量为10～1000sccm的保护性气体，并保持1～60分钟；
(3)随后将反应室加热至900～1100℃，通入气流量为10～200sccm的还原性气体，并保持5～10分钟的通气时间；然后以1～10g/min的速度将氧化石墨粉体加入反应室内进行反应，保持反应10～60分钟；
(4)反应完成后，停止加入氧化石墨粉体及停止通入还原性气体，在保护性气体气氛下冷却至室温，在衬底表面制得石墨烯。
所述石墨烯的制备方法中，步骤(1)中：
衬底为不锈钢箔和镍箔中的一种或其组合；
衬底的清洗过程包括：依次用去离子水、乙醇和丙酮分别对所述衬底进行超声清洗。
所述石墨烯的制备方法中，步骤(2)中：
保护性气体为氮气和氩气中的一种或其组合；往反应室内通入保护性气体后保持20～30分钟。
所述石墨烯的制备方法中，步骤(3)中：
还原性气体为氢气和肼蒸气中的一种或其组合；
加入氧化石墨粉体的粒径为100～400目。
本发明提供的石墨烯的制备方法以氧化石墨为原料，在高温以及还原性气氛中进行还原制得石墨烯，相比传统的溶液还原法，本发明制备时间短，所需设备占地面积小，操作简易可行，无需过滤，生产效率高，易于实现自动化及工业化生产。
实施例一
一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
(1)依次用去离子水、乙醇和丙酮分别对不锈钢箔进行超声清洗，清洗后烘干；
(2)将烘干后的不锈钢箔设置在反应室中，往反应室通入气流量为500sccm的氩气，并保持30分钟；
(3)随后将反应室加热至1100℃，通入气流量为50sccm的氢气，并保持5分钟的通气时间；然后以1g/min的速度将300目粒径的氧化石墨粉体从反应室的入料口加入反应室内进行反应，氧化石墨粉体在入料口经过300目的铜网筛选后进入反应室内，保持反应20分钟；
(4)反应完成后，停止加入氧化石墨粉体及停止通入氢气，在氩气气氛下冷却至室温，在衬底表面制得石墨烯，将表面制得有石墨烯的衬底从反应室中取出，从衬底上将石墨烯刮下，收集得到石墨烯。
图2为本发明实施例一所制备的石墨烯的SEM电镜图，从图2中可以明显看出已成功生长出石墨烯，厚度多为3～6层，长度约为0.5～5um。
实施例二
一种石墨烯的制备方法，与实施例一的区别仅在于：步骤(1)和步骤(4)中的保护性气体为氮气，以及步骤(3)中通入的还原性气体为肼蒸汽，氧化石墨粉体的粒径为200目。
实施例三
一种石墨烯的制备方法，与实施例二的区别仅在于：步骤(3)中通入的肼蒸汽的气流量为200sccm、步骤(3)中加入氧化石墨粉体的速度为10g/min、随后保持反应的时间为30分钟；氧化石墨粉体的粒径为100目。
实施例四
一种石墨烯的制备方法，与实施例三的区别仅在于：步骤(3)中将反应室加热至900℃，通入肼蒸汽后保持10分钟的通气时间；氧化石墨粉体的粒径为400目。
实施例五
一种石墨烯的制备方法，与实施例四的区别仅在于：步骤(1)中通入氮气的气流量为200sccm，步骤(3)中加入氧化石墨粉体的速度为3g/min。

Claims (7)

1.一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
(1)将金属材质的衬底清洗后烘干；
(2)将烘干后的衬底设置在反应室中，往反应室通入气流量为10～1000sccm的保护性气体，并保持1～60分钟；
(3)随后将反应室加热至900～1100℃，通入气流量为10～200sccm的还原性气体，并保持5～10分钟的通气时间；然后以1～10g/min的速度将氧化石墨粉体加入反应室内进行反应，保持反应10～60分钟；
(4)反应完成后，停止加入氧化石墨粉体及停止通入还原性气体，在保护性气体气氛下冷却至室温，在衬底表面制得石墨烯。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述衬底为不锈钢箔和镍箔中的一种或其组合。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述衬底的清洗过程包括：依次用去离子水、乙醇和丙酮分别对所述衬底进行超声清洗。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述保护性气体为氮气和氩气中的一种或其组合。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中往反应室内通入保护性气体后保持20～30分钟。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述还原性气体为氢气和肼蒸气中的一种或其组合。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述氧化石墨粉体的粒径为100～400目。
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