CN103420360A

CN103420360A - 石墨烯的制备方法

Info

Publication number: CN103420360A
Application number: CN2012101512101A
Authority: CN
Inventors: 周明杰; 袁新生; 王要兵
Original assignee: Oceans King Lighting Science and Technology Co Ltd; Shenzhen Oceans King Lighting Engineering Co Ltd
Current assignee: Oceans King Lighting Science and Technology Co Ltd; Shenzhen Oceans King Lighting Science and Technology Co Ltd; Shenzhen Oceans King Lighting Engineering Co Ltd
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2013-12-04

Abstract

本发明涉及一种石墨烯的制备方法，包括如下步骤：a)将磁性催化剂放置于衬底上，并将附有所述催化剂的所述衬底放置于化学气相沉积设备里密封；b)在所述衬底的垂直方向上施加磁场，通保护性气体50～200sccm，保持10～30分钟，排走反应室的氧气后开始对所述衬底加热；c)对所述衬底加热到低于所述磁性催化剂的居里温度时，开始通入含碳气体100～1000sccm，并保持30～300分钟的时间，使所述衬底开始生长垂直石墨烯。本发明的石墨烯的制备方法，产出的石墨烯均垂直于衬底，且一致性较好、均匀高。

Description

石墨烯的制备方法

技术领域

本发明专利涉及材料合成制备领域，特别是涉及一种石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯是由正六边形碳原子环构成的一种二维碳原子晶体，2004年由英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆等发现，其在具有自然界最薄结构的同时还有很高的化学稳定性、高机械强度和极为优异的电输运性能，再次引发了碳材料研究热潮。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，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两种：机械方法和化学方法。机械方法包括微石墨剥裂、超声剥离法、取向附生法和加热SiC法。化学方法包括化学氧化还原法、化学气相沉积法等。这些方法目前存在一些不足的地方，无法对其形貌进行有效控制，尤其是对垂直阵列形貌难于进行有效控制。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的问题和不足，提供一种石墨烯的制备方法，利用催化剂在磁场控制下结合化学气相沉积来制备垂直阵列石墨烯。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种石墨烯的制备方法，该制备方法包括如下步骤：a) 将磁性催化剂放置于衬底上，并将附有所述催化剂的所述衬底放置于化学气相沉积设备里密封；b) 在所述衬底的垂直方向上施加磁场，通保护性气体50～200sccm，保持10～30分钟，排走反应室的氧气后开始对所述衬底加热；c) 对所述衬底加热到低于所述磁性催化剂的居里温度时，开始通入含碳气体100～1000sccm，并保持30～300分钟的时间，使所述衬底开始生长垂直石墨烯；d) 待反应结束后，停止加热，关闭含碳气体，在保护气体下冷却至室温后关闭所有气体，在所述衬底表面得到垂直阵列的石墨烯。

在所述的制备方法中，所述制备方法还包括步骤e):用浓度为0.01~1 mol/L的弱酸对在所述衬底表面得到的垂直阵列石墨烯进行清洗,去除催化剂,得到纯净的垂直阵列石墨烯。

在所述的制备方法中，所述弱酸为盐酸、硫酸、硝酸中的一种或它们的组合。

在所述的制备方法中，所述磁性催化剂为铁粉、钴粉中的一种或它们的组合。

在所述的制备方法中，所述衬底为硅片、二氧化硅片、石英玻璃中的一种或它们的组合。

在所述的制备方法中，所述磁场强度为0.01～1T。

在所述的制备方法中，所述含碳气体为甲烷、乙烷、乙炔、乙醇中的一种或它们的组合。

在所述的制备方法中，所述保护气体为氢气、氮气、氩气中的一种或它们的组合。

与现有技术相比，本发明的石墨烯的制备方法，是利用催化剂在磁场控制下结合化学气相沉积来制备石墨烯，产出的石墨烯均垂直于衬底，且一致性较好、均匀高。该制备方法同时具有设备简单，操作简易可行，易于实现自动化及工业化生产的优势。

附图说明

图1是本发明实施例1的石墨烯SEM图。

具体实施方式

以下结合附图与实施例，对本发明予以进一步地详尽阐述。

本发明利用磁性催化剂在磁场下制备石墨烯，制备方法概述如下：将磁性催化剂放置于硅或二氧化硅等衬底上，并将衬底放置在化学气相沉积设备里，密封。在衬底垂直方向施加磁场，通保护性气体一定时间，排走反应室的氧气后开始对衬底加热，但温度不能超过磁性催化剂的居里温度，以保持磁性催化剂不会发生磁性转变。加热到一定温度后开始通入含碳气体，并保持一定的时间。待反应结束后，停止加热，关闭含碳气体，在保护气体下冷却至室温后关闭所有气体，在衬底表面便得垂直生长的石墨烯。用弱酸对产物进行清洗，可去除催化剂，得到纯净的石墨烯。

具体操作流程如下：a) 将磁性催化剂放置于衬底上，并将附有催化剂的衬底放置于化学气相沉积设备里密封；b) 在衬底的垂直方向上施加磁场，通保护性气体50～200sccm，保持10～30分钟，排走反应室的氧气后开始对衬底加热；c) 对底加热到低于所述磁性催化剂的居里温度时，开始通入含碳气体100～1000sccm，并保持30～300分钟的时间，使衬底开始生长垂直石墨烯；d) 待反应结束后，停止加热，关闭含碳气体，在保护气体下冷却至室温后关闭所有气体，在衬底表面得到垂直生长的石墨烯。e) 用浓度为0.01～1 mol/L的弱酸对在所述衬底表面得到垂直生长的石墨烯进行清洗，去除催化剂，得到纯净的垂直石墨烯。

对本发明的石墨烯的制备方法，在具体参数条件下的操作流程，如实施例1中所述。

实施例1：1、将铁粉放置于硅片上，并将附有铁粉的硅片放置在化学气相沉积设备里，密封；2、在衬底垂直方向施加磁场，磁场强度为0.01T，通入50sccm的氩气30分钟，排走反应室的氧气后开始对衬底加热；3、加热到700℃（该温度低于铁粉的居里温度）后，开始通入100sccm的甲烷，并保持30分钟的时间，生长垂直石墨烯；4、待反应结束后，停止加热，关闭甲烷，在氩气保护下冷却至室温后关闭所有气体，在衬底表面便得垂直生长的石墨烯；5、用浓度为1mol/L的盐酸对产物进行清洗，可去除铁粉，得到纯净的垂直石墨烯。

图1是本发明实施例1的石墨烯SEM图，从图中可以看出，石墨烯高度均匀，约为800nm，厚度约为1～10nm，基本垂直于基底，整齐排列，有良好的场发射性能。

实施例2~8：下表1中分别列出了实施例2~8的石墨烯的制备过程中不同反应条件，在对石墨烯的制备上，实施例2~8重复实施例1中的操作，但用不同反应条件代替实施例1，具体操作条件参照表1。

Figure 2012101512101100002DEST_PATH_IMAGE001

需要说明的是，在制备过程中，对衬底垂直方向施加磁场，磁性催化剂会在磁场的作用下垂直于衬底，平行于磁场线直立起来以便得到垂直于衬底（垂直阵列）的石墨烯，此种石墨烯可应用于场发射器件、微过滤膜等众多方面。

本发明的石墨烯的制备方法，利用催化剂在磁场控制下结合化学气相沉积来制备石墨烯，产出的石墨烯均垂直于衬底，且一致性较好、均匀高。该制备方法同时具有设备简单，操作简易可行，易于实现自动化及工业化生产的优势。

上述内容，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims

1.一种石墨烯的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

a) 将磁性催化剂放置于衬底上，并将附有所述催化剂的所述衬底放置于化学气相沉积设备里密封；

b) 在所述衬底的垂直方向上施加磁场，通保护性气体50～200sccm，保持10～30分钟，排走反应室的氧气后开始对所述衬底加热；

c) 对所述衬底加热到低于所述磁性催化剂的居里温度时，开始通入含碳气体100～1000sccm，并保持30～300分钟的时间，使所述衬底开始生长垂直石墨烯；

d) 待反应结束后，停止加热，关闭含碳气体，在保护气体下冷却至室温后关闭所有气体，在所述衬底表面得到垂直阵列的石墨烯。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括步骤e)：用浓度为0.01～1mol/L的弱酸对在所述衬底表面得到的垂直阵列石墨烯进行清洗，去除催化剂，得到纯净的垂直阵列石墨烯。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述弱酸为盐酸、硫酸、硝酸中的一种或它们的组合。

4.根据权利要求1至3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述磁性催化剂为铁粉、钴粉中的一种或它们的组合。

5.根据权利要求1至3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述衬底为硅片、二氧化硅片、石英玻璃中的一种或它们的组合。

6.根据权利要求1至3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述磁场强度为0.01～1T。

7.根据权利要求1至3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述含碳气体为甲烷、乙烷、乙炔、乙醇中的一种或它们的组合。

8.根据权利要求1至3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述保护气体为氢气、氮气、氩气中的一种或它们的组合。