CN108622882B - 一种石墨烯的液相共沉积制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯的液相共沉积制备方法，该方法是通过将硅、碳的卤化物溶解于有机溶剂中然后加入碱金属、碱土金属或者稀土金属，加热到金属熔融状态并保持一段时间，冷却后沉积出硅单质和碳单质，硅单质作为载体用来在其表面形成石墨烯薄片，然后在溶液中加入醇或者酸等除去过量的金属，再过滤出硅和碳的共沉积物，最后用氢氧化钠强碱溶液除去硅，再水洗烘干剩余料得到石墨烯。本发明制备的石墨烯薄片尺寸大、层数少，性能优良，本发明反应过程的废气废液容易回收，具有环保优势，且工艺简单，可执行性强。

Description

一种石墨烯的液相共沉积制备方法

技术领域

本发明属于石墨烯技术领域，具体涉及一种石墨烯的液相共沉积制备方法。

背景技术

石墨烯是一种厚度薄、耐拉伸强度大、导电导热性能强的新型二维纳米材料，在新能源电池、生物医学、传感器、半导体等领域都有极高的使用价值。由于石墨烯的应用，许多材料、仪器等的性能或者功能都有革命性的突破，所以石墨烯具有很高的使用价值和经济价值。

为了适应市场的需求，追求良好的经济效益，各大研究机构和企业实体都踊跃参与石墨烯材料的开发与验证，有的不惜投入重金。从目前来看，大家也取得了一些成果，研究出不少方法可以生产石墨烯材料。

比较经典的有氧化还原法、外延生长法、气象沉积法等。其中，氧化还原法已有批量产品问世，主要是通过使用强氧化剂浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾等氧化石墨，氧化过程即在石墨层间穿插一些含氧官能团，从而加大了石墨层间距，然后经超声处理一段时间之后，就可形成单层或数层氧化石墨烯，再用强还原剂水合肼、硼氢化钠等将氧化石墨烯还原成石墨烯。

外延生长方法包括碳化硅外延生长法等。碳化硅外延生长法是指在高温下加热SiC单晶体，使得SiC表面的Si原子被蒸发而脱离表面，剩下的C原子通过自组形式重构，从而得到基于SiC衬底的石墨烯。

化学气相沉淀CVD法具体过程是：将碳氢化合物甲烷、乙醇等通入到高温加热的金属基底Cu、Ni表面，反应持续一定时间后进行冷却，冷却过程中在基底表面便会形成数层或单层石墨烯。

综上所述石墨烯的制造方法主要有两种：一是通过石墨的化学或者机械的剥离制得，另外一种是通过原子状态的石墨重新排列制得。

以上各种方法又各有弊端，其中，氧化还原法会破坏石墨烯的结构，导致一些缺陷出现，影响石墨烯的性能，另外，大量强酸、强氧化剂的使用可能会导致环境污染；外延生长方法生产的石墨烯不易转移到别的基体上使用，主要用于以SiC为衬底的石墨烯器件，且其前驱体SiC的价格昂贵，成本非常高，生长条件也很苛刻；化学气相沉淀CVD法制造石墨烯成本很高，只能达到平方厘米的量级，难以满足工业化的应用。

发明内容

本发明主要的目的是提供一种石墨烯的液相共沉积制备方法，主要是通过原子状态的石墨重新排列制得石墨烯。如何获得原子状态石墨，主要是通过武慈反应利用活性较高金属还原碳的卤化物制得，碳原子在重排形成碳分子时要么形成石墨烯要么形成石墨。为了阻止石墨原子形成石墨，本发明方法引入硅原子，由于硅和碳属于同一主族，具有相似的外围电子排布，可以和碳原子互相化合形成硅碳混合体，从而可以抑止石墨的形成，促进石墨烯的形成。待硅碳混合体生成后，再利用强碱除去硅材料，由于硅的空间阻隔作用，碳原子更容易生成不连续的石墨烯，且硅碳混合体在各方向生长无限制，因而制得的石墨烯薄片尺寸大、层数少，性能优良。本发明反应过程的废气废液容易回收，具有环保优势，且工艺简单，可执行性强。

本发明的技术方案是一种石墨烯的液相共沉积制备方法，通过将硅、碳的卤化物溶解于有机溶剂中然后加入碱金属、碱土金属或者稀土金属，再加热到金属熔融状态并保持一段时间，冷却后沉积出硅单质和碳单质，硅单质作为载体用来在其表面形成石墨烯薄片，然后在溶液中加入醇或者酸除去过量的金属，再过滤出硅和碳的共沉积物，最后用氢氧化钠强碱溶液除去硅，再水洗烘干剩余料得到石墨烯。

作为优选的，所述硅、碳的卤化物为四氟化硅、四氯化硅、四溴化硅、四氟化碳、四氯化碳材料。

作为优选的，所述有机溶剂为醚类、腈类、醇类物质。

作为优选的，所述碱金属、碱土金属或者稀土金属为锂、钠、钾、镧、镨、镁金属。

作为优选的，所述用于除去过量金属的醇或者酸为乙醇、丙醇、乙二醇、稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸。

该石墨烯的液相共沉积制备方法制造过程为：在反应釜中加入有机溶剂，将硅、碳卤化物溶于有机溶剂，加入金属材料，加热、搅拌，冷却到常温，加入醇或者酸，过滤得到硅、碳混合体，加氢氧化钠强碱溶液，过滤，清洗烘干得到石墨烯。

具体实施方式

下面叙述的案例是对本发明的补充说明，而非是对本发明的限制。

本发明通过将硅、碳的卤化物溶解于有机溶剂中然后加入碱金属、碱土金属或者稀土金属，加热到金属熔融状态并保持一段时间，冷却后从而沉积出硅单质和碳单质，硅单质作为载体用来在其表面形成石墨烯薄片，然后在溶液中加入醇或者酸除去过量的金属，再然后过滤出硅和碳的共沉积物，最后用氢氧化钠强碱溶液除去硅，再水洗烘干剩余料得到石墨烯。

实施例1：

取30千克丙醚倒入常温常压反应釜中，再取50千克四溴化硅、20千克四氯化碳倒入丙醚溶液中，搅拌均匀，然后加入12千克钾金属，合上反应釜，加热到65℃，搅拌12小时，冷却到室温，加入2千克无水乙醇，搅拌2小时，过滤溶液得到硅碳混合体，将混合体倒入反应器中，加入26千克50%氢氧化钠溶液中，搅拌1小时，过滤出石墨烯，然后用纯净水清洗三次，倒入不锈钢盘中，放入烘箱内，真空状态下，100℃加热6小时，制得1.1千克石墨烯。

实施例2：

室温下取50千克乙醚倒入高温高压反应釜中，再取50千克四氯化硅、41千克四氯化碳倒入乙醚溶液中，搅拌均匀，然后加入115千克镧金属，合上反应釜，加热到930℃，搅拌8小时，冷却到室温，加入30千克30%稀盐酸，搅拌2小时，过滤溶液得到硅碳混合体，将混合体倒入反应器中，加入48千克50%氢氧化钠溶液中，搅拌1小时，过滤出石墨烯，然后用纯净水清洗三次，倒入不锈钢盘中，放入烘箱内，真空状态下，100℃加热6小时，制得2.8千克石墨烯。

实施例3：

室温下取50千克乙醚倒入高温高压反应釜中，再取50千克四氯化硅、41千克四氯化碳倒入乙醚溶液中，搅拌均匀，然后加入30千克镁金属，合上反应釜，加热到700℃，搅拌8小时，冷却到室温，加入31千克30%稀盐酸，搅拌2小时，过滤溶液得到硅碳混合体，将混合体倒入反应器中，加入48千克50%氢氧化钠溶液中，搅拌1小时，过滤出石墨烯，然后用纯净水清洗三次，倒入不锈钢盘中，放入烘箱内，真空状态下，100℃加热6小时，制得2.5千克石墨烯。

Claims (5)

1.一种石墨烯的液相共沉积制备方法，其特征在于，该方法是通过将硅、碳的卤化物溶解于有机溶剂中然后加入碱金属、碱土金属或者稀土金属，再加热到金属熔融状态并保持一段时间，冷却后沉积出硅单质和碳单质，硅单质作为载体用来在其表面形成石墨烯薄片，然后在溶液中加入醇或者酸除去过量的金属，再过滤出硅和碳的共沉积物，最后用氢氧化钠强碱溶液除去硅，再水洗烘干剩余料得到石墨烯。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯的液相共沉积制备方法，其特征在于，所述硅、碳的卤化物为四氟化硅、四氯化硅、四溴化硅、四氟化碳、四氯化碳。

3.根据权利要求1所述的一种石墨烯的液相共沉积制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为醚类、腈类、醇类物质。

4.根据权利要求1所述的一种石墨烯的液相共沉积制备方法，其特征在于，所述碱金属、碱土金属或者稀土金属为锂、钠、钾、镧、镨、镁金属。

5.根据权利要求1所述的一种石墨烯的液相共沉积制备方法，其特征在于，所述醇或者酸为乙醇、丙醇、乙二醇、稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸。