CN106430165A - 一种高质量低缺陷单层石墨烯的制备方法 - Google Patents

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何丹农
卢静
涂兴龙
尹桂林
金彩虹
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    • C01B2204/02—Single layer graphene
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

本发明涉及了一种高质量低缺陷单层石墨烯的制备方法，将一定量的碱金属钾溶入有机溶剂二甲基亚砜（DMSO）或四氢呋喃（THF）中，形成碱金属‑有机溶剂插入物；加入适量的球形石墨，密封后采用大于1000W功率超声处理30分钟，室温下静置2小时形成一阶石墨层间化合物（KC8）溶液；一阶石墨层间化合物溶液中加入过量的苯甲腈溶液，对石墨层间化合物中的插入物进行转移处理；将溶液滴在表面清洁的Si/SiO2表面，旋涂晾干后即可获得高质量无缺陷的单层石墨烯产物。采用低成本的苯甲腈溶液对一阶石墨层间化合物中的擦层材料进行转移，在改转移过程中，不会引入新的缺陷，从而能够获得单层高质量低缺陷石墨烯产物。可以极大地降低高质量单层石墨烯的生产成本，提高生产效率，让批量生产成为可能。

Description

一种高质量低缺陷单层石墨烯的制备方法
技术领域
本发明属于新型二维材料制备领域，涉及一种高质量低缺陷单层石墨烯的制备方法。
背景技术
新型二维半导体材料石墨烯因其特殊的晶体结构而具有的诸多优异光学、电学和力学性能，在研究和半导体产业界受到了广泛关注。自剥离法成功获得单层石墨烯后，不同的制备方法被用于制备石墨烯，包括机械剥离、气相沉积和氧化还原等。但这些制备方法在产业化过程中，均存在不同的局限性。
机械剥离法有效降低了成本，但生成产物的成分不可控和少层产量是至今无法克服的难题；化学气相沉积是迄今为止制备高质量石墨烯最为有效的工艺技术，但生产条件苛刻，性能对基底依赖程度过高及生产效率低下，是限制其发展的主要因素；化学氧化还原石墨烯的制备方法虽然简便、易于批量生产，且相关产物形式能够为材料的进一步加工树筛选带累便利，但从反应产物中剥离并再次进行还原的过程难以控制。
在石墨烯的制备研究过程中，研究人员尝试利用化学方法在石墨层间插入非碳物质，使得擦入物材料擦入石墨间隙层。通过简单的化学反应，生成大量的石墨层间化合物。该石墨层间化合物中，包含有一定量的一阶石墨层间化合物，但如何在不造成新的缺陷的前提下将插层物完全移除形成单层石墨烯，并实现转移，迄今仍未有成熟的技术方案。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明目的在于：提供一种高质量低缺陷单层石墨烯的制备方法。采用碱金属有机溶剂作为插层物质插入球形石墨形成一阶石墨层间化合物，然后采用低成本的有机溶剂苯甲腈从石墨层间化合物中分离出没有缺陷的石墨烯。与传统的化学剥离或氧化还原法相比，能够有效降低石墨烯的缺陷密度，并降低成本成本，对实现高质量的石墨烯批量生产具有重要意义。
本发明采取以下技术方案实现：
一种高质量低缺陷单层石墨烯的制备方法，其特征在于，具体实现步骤为：
（1）将一定量的碱金属钾溶入有机溶剂二甲基亚砜（DMSO）或四氢呋喃（THF）中，形成碱金属-有机溶剂插入物；
（2）在步骤（1）中的加入适量的球形石墨，密封后采用大于1000W功率超声处理30分钟，室温下静置2小时形成一阶石墨层间化合物（KC8）溶液；
（3）在步骤（2）中一阶石墨层间化合物溶液中加入过量的苯甲腈溶液，对石墨层间化合物中的插入物进行转移处理；
（4）将步骤（3）中的溶液滴在表面清洁的Si/SiO2表面，旋涂晾干后即可获得高质量无缺陷的单层石墨烯产物。
碱金属钾溶入有机溶剂时比例不低于0.5mol/L。
碱金属钾与球形石墨的摩尔比不低于1：8。
加入过量苯甲腈溶液的标准是，苯甲腈溶液与球形石墨的比例不低于2.5L/mol。
与现有技术，本发明的有益效果是：
本发明中采用碱金属-有机溶剂法作为插入物对球形石墨进行插层形成一阶石墨层间化合物，后采用低成本的苯甲腈溶剂将插入物转移，该过程不会产生额外缺陷。与以往的化学剥离发制备石墨烯相比，该方法在进行插层物转移的过程中，不会对石墨烯表面造成任何损坏，能够低成本地得到高质量低缺陷的单层石墨烯，且制备过程简单，易于大批量生产。
该方法能够采用简单的化学法制备出高质量低缺陷的单层石墨烯，并且实现高效分离。可以极大地降低单层高质量石墨烯的生产成本，提高生产效率，让批量生产成为可能。
附图说明
图1 实施案例样品1的拉曼谱图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
将39mg（1mmol）钾金属加入乘在玻璃管中的200mL四氢呋喃溶液中，当钾金属溶解后加入96mg(8mmol)球形石墨后，将玻璃管密封，采用1000W的大功率超声30分钟，室温下放置2小时形成一阶石墨层间化合物(KC8)溶液；在石墨层间化合物溶液中加入20mL的苯甲腈溶液后，将溶液滴在表面清洁的Si/SiO2上，旋涂晾干，所得的产物即为高质量无缺陷单层石墨烯。
实施例2：
将39mg（1mmol）钾金属加入乘在玻璃管中的200mL二甲基亚砜溶液中，当钾金属溶解后加入96mg(8mmol)球形石墨后，将玻璃管密封，采用1500W的大功率超声30分钟，室温下放置2小时形成一阶石墨层间化合物(KC8)溶液；在石墨层间化合物溶液中加入20mL的苯甲腈溶液后，将溶液滴在表面清洁的Si/SiO2上，旋涂晾干，所得的产物即为高质量无缺陷单层石墨烯。
实施例3：
将78mg（2mmol）钾金属加入乘在玻璃管中的200mL四氢呋喃溶液中，当钾金属溶解后加入96mg(8mmol)球形石墨后，将玻璃管密封，采用1000W的大功率超声30分钟，室温下放置2小时形成一阶石墨层间化合物(KC8)溶液；在石墨层间化合物溶液中加入30mL的苯甲腈溶液后，将溶液滴在表面清洁的Si/SiO2上，旋涂晾干，所得的产物即为高质量无缺陷的单层石墨烯。
实施例4：
将156mg（4mmol）钾金属加入乘在玻璃管中的200mL二甲基亚砜溶液中，当钾金属溶解后加入96mg(8mmol)球形石墨后，将玻璃管密封，采用1500W的大功率超声30分钟，室温下放置2小时形成一阶石墨层间化合物(KC8)溶液；在石墨层间化合物溶液中加入40mL的苯甲腈溶液后，将溶液滴在表面清洁的Si/SiO2上，旋涂晾干，所得的产物即为高质量无缺陷的单层石墨烯。
实施案例样品进行了拉曼表征，图1给出了实施案例1样品的拉曼图谱。

Claims (4)

1.一种高质量低缺陷单层石墨烯的制备方法，其特征在于，具体实现步骤为：
（1）将一定量的碱金属钾溶入有机溶剂二甲基亚砜（DMSO）或四氢呋喃（THF）中，形成碱金属-有机溶剂插入物；
（2）在步骤（1）中的加入适量的球形石墨，密封后采用大于1000W功率超声处理30分钟，室温下静置2小时形成一阶石墨层间化合物（KC8）溶液；
（3）在步骤（2）中一阶石墨层间化合物溶液中加入过量的苯甲腈溶液，对石墨层间化合物中的插入物进行转移处理；
（4）将步骤（3）中的溶液滴在表面清洁的Si/SiO2表面，旋涂晾干后即可获得高质量无缺陷的单层石墨烯产物。
2.根据权利要求1所述一种高质量低缺陷单层石墨烯的制备方法，其特征在于，碱金属钾溶入有机溶剂时比例不低于0.5mol/L。
3.根据权利要求1所述一种高质量低缺陷单层石墨烯的制备方法，其特征在于，碱金属钾与球形石墨的摩尔比不低于1：8。
4.根据权利要求1所述一种高质量低缺陷单层石墨烯的制备方法，其特征在于，加入过量苯甲腈溶液的标准是，苯甲腈溶液与球形石墨的比例不低于2.5L/mol。
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