CN108793137B - 利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的方法，包括以下步骤：将聚对二甲苯裂解后沉积在铜箔表面，作为固态碳源；将固态碳源和洁净铜箔放入双温区反应装置，其中固态碳源放在低温区，洁净铜箔放在高温区；反应装置抽真空后，将高温区升温至设置温度，通保护气和还原气体；将低温区升温至设置温度，反应结束后降温；关闭气体并将高温区降温至室温。本发明的利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的方法可以降低石墨烯的制备成本，加快单层石墨烯制备技术的提升，提高单层石墨烯产业化的潜力。

Description

利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的方法
技术领域
本发明属于石墨烯制备领域，具体涉及一种利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯在2004年被发现，到2010年就获得了诺贝尔物理学奖，这得益于石墨烯在力、热、光、电等方面所具有的卓越表现。大规模低成本的单层石墨烯制备方法成为石墨烯走向大规模应用的基石，吸引着一大批科研工作者的目光。现阶段主流的单层石墨烯制备方法是化学气相沉积，利用铜箔催化甲烷气体合成石墨烯。然而，甲烷作为一种气态碳源，存在运输和储存的风险，提高了石墨烯的生产成本。因而，寻找一种低成本的固态碳源成为现阶段急需解决的问题。
聚对二甲苯，英文名称为parylene，是一种保护性高分子材料，利用聚对二甲苯在室温下可沉积制备出0.01～100微米薄膜涂层，其厚度均匀、致密无针孔、有优异的电绝缘性和防护性，是当代最有效的防潮、防霉、防腐、防盐雾涂层材料，被广泛应用于几乎所有需要保护涂层的领域，需求量大，价格便宜。聚对二甲苯具有较高的含碳量，其中的苯环和石墨烯具有相同的六边形结构，有潜力用于制备石墨烯，同时，聚对二甲苯作为固态碳源，用来合成石墨烯对降低石墨烯生产成本具有重要意义。
因此当下急需开发一种简单的制备方法，降低石墨烯的制备成本，推动石墨烯的产业化进程。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的方法，以便解决上述问题的至少之一。
本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的方法，包括以下步骤：(1)将聚对二甲苯裂解后生成的对二甲苯小分子沉积在铜箔表面，作为固态碳源；(2)将步骤(1)都得到的固态碳源和洁净铜箔放入带有双温区的反应装置中，其中固态碳源放在低温区，洁净铜箔放在高温区；(3)在反应装置抽真空后，将高温区升温至设置温度，在通保护气体的情况下通入还原性气体，将铜箔表面的氧化铜还原；(4)将低温区升温至设置温度，固态碳源挥发到铜箔区域，石墨烯晶核形成并不断长大，反应完全后降至室温；(5)关闭保护气体和还原性气体并将高温区降温至室温，完成石墨烯生长。
优选地，步骤(1)中，聚对二甲苯粉末在600～700℃时裂解成小分子，小分子在沉积装置中扩散沉积到铜箔表面。
优选地，步骤(2)中，所述带有双温区的反应装置包括双温区管式炉。
优选地，步骤(3)中，设置温度高温区的温度为1000～1100℃。
优选地，步骤(3)中，所述保护气体包括氩气。
优选地，步骤(3)中，所述还原性气体包括氢气。
优选地，步骤(4)中，设置低温区的温度为200～500℃；
优选地，步骤(4)中，反应时间为1～60min。
从上述技术方案可以看出，本发明的利用聚二甲苯制备单层石墨烯的方法具有以下有益效果：
本发明采用聚对二甲苯的裂解沉积物作为固态碳源，通过加热挥发至铜箔区域，在铜金属的催化作用下在铜箔表面合成单层石墨烯。这种低成本大规模制备单层石墨烯的方案可以加快单层石墨烯制备技术的提升，提高单层石墨烯产业化的潜力。
附图说明
图1为本发明实施例中利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的方法的流程图；
图2为本发明实施例中利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的拉曼光谱图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
一种利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的方法，包括以下步骤：将聚对二甲苯裂解后沉积在铜箔表面，作为固态碳源；将固态碳源和洁净铜箔放入双温区反应装置，其中固态碳源放低温区，洁净铜箔放高温区；反应装置抽真空后，将高温区升温至设置温度，通保护气和还原气体；将低温区升温至设置温度，反应结束后降温；关闭气体并将高温区降温至室温。本发明的利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的方法可以降低石墨烯的制备成本，加快单层石墨烯制备技术的提升，提高单层石墨烯产业化的潜力。
具体地，本发明提供一种利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的方法，包括以下步骤：(1)将聚对二甲苯裂解后生成的对二甲苯小分子沉积在铜箔表面，作为固态碳源；(2)将步骤(1)都得到的固态碳源和洁净铜箔放入带有双温区的反应装置中，其中固态碳源放在低温区，洁净铜箔放在高温区；(3)在反应装置抽真空后，将高温区升温至设置温度，在通保护气体的情况下通入还原性气体，将铜箔表面的氧化铜还原；(4)将低温区升温至设置温度，固态碳源挥发到铜箔区域，石墨烯晶核形成并不断长大，反应完全后降至室温；(5)关闭保护气体和还原性气体并将高温区降温至室温，完成石墨烯生长。
步骤(1)中，聚对二甲苯粉末在600～700℃时裂解成小分子，小分子在沉积装置中扩散沉积到铜箔表面。
步骤(2)中，所述带有双温区的反应装置包括双温区管式炉。
步骤(3)中，设置温度高温区的温度为1000～1100℃。
步骤(3)中，所述保护气体包括氩气。
步骤(3)中，所述还原性气体包括氢气。
步骤(4)中，设置低温区的温度为200～500℃；
步骤(4)中，反应时间为1～60min。
以下结合具体实施例和附图，对本发明的利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的方法作进一步的详细说明。
图1为本发明实施例中利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的方法的流程图。如图1所示，本发明提供的一种利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的方法，包括：
步骤1：制备固态碳源；
利用物理气相沉积炉的裂解室将聚对二甲苯粉末裂解，裂解温度为650℃，裂解后生成的对二甲苯小分子扩散到温度为室温的真空炉中，进一步沉积到炉中铜箔表面，薄膜厚度为0.01～100um，厚度决定了固态碳源的质量和生长石墨烯的次数。
步骤2：放置碳源和铜箔与双温区管式炉不同温区；
将固态碳源和洁净铜箔放入双温区管式炉，其中固态碳源放低温区，洁净铜箔放高温区，加热低温区时固态碳源会挥发扩散到高温区。
步骤3：管式炉抽真空后加热铜箔并通气；
将管式炉抽真空后，高温区升温至设置温度，通常为1000～1100℃，这里选择1050℃，在升温的过程中同时通氢气和氩气，目的是还原铜箔表面的氧化铜，通气一直保持。
步骤4：加热碳源一段时间后降温；
高温区温度达到1050℃时，将低温区升温至设置温度，温度可设为200～500℃，此时固态碳源会挥发，且温度越高，挥发越快，挥发的对二甲苯分子会随着通气的气流扩散到铜箔区域。在铜箔区域对二甲苯分子在铜箔的催化作用下形成石墨烯晶核并不断长大，氢气的存在会及时刻蚀掉石墨烯生长过程中的缺陷。根据固态碳源挥发速度的快慢设置碳源挥发的保持时间，通常保持时间1～60min，然后将固态碳源的温度降至室温。
步骤5：关闭气体后铜箔降温。
固态碳源降至室温后，关闭气体氢气和氩气，并将高温区降温至室温，完成单层石墨烯生长，管式炉充气至大气压，打开管式炉，取出铜箔，固态碳源不用取出，管式炉抽真空，关闭设备。
图2为本发明实施例中利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的拉曼光谱图。如图2所示，从拉曼光谱中可以看到3个特征峰，从左到右分别为D峰、G峰和2D峰。2D峰的出现说明成功制备出了石墨烯，2D峰和G峰的比值接近2，表明所生长的石墨烯为单层石墨烯。D峰的出现表明所制备的石墨烯具有少量的缺陷，这是由于我们所使用的铜箔表面较为粗糙，可以通过使用质量较好的铜箔来消除缺陷。总之由图2可知，利用聚二甲苯作为碳源能够成功制备单层石墨烯。
综上所述，本发明采用聚对二甲苯的裂解沉积物作为固态碳源，通过加热挥发至铜箔区域，在铜金属的催化作用下在铜箔表面合成单层石墨烯。这种低成本大规模制备单层石墨烯的方案可以加快单层石墨烯制备技术的提升，提高单层石墨烯产业化的潜力。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将聚对二甲苯裂解后生成的对二甲苯小分子沉积在铜箔表面，作为固态碳源；
(2)将步骤(1)都得到的固态碳源和洁净铜箔放入带有双温区的反应装置中，其中固态碳源放在低温区，洁净铜箔放在高温区；
(3)在反应装置抽真空后，将高温区升温至设置温度，在通保护气体的情况下通入还原性气体，将铜箔表面的氧化铜还原；
(4)将低温区升温至设置温度，固态碳源挥发到铜箔区域，石墨烯晶核形成并不断长大，反应完全后降至室温；
(5)关闭保护气体和还原性气体并将高温区降温至室温，完成石墨烯生长。
2.根据权利要求1所述的利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的方法，其特征在于，
步骤(1)中，聚对二甲苯粉末在600～700℃时裂解成小分子，小分子在沉积装置中扩散沉积到铜箔表面。
3.根据权利要求1所述的利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的方法，其特征在于，
步骤(2)中，所述带有双温区的反应装置包括双温区管式炉。
4.根据权利要求1所述的利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的方法，其特征在于，
步骤(3)中，设置温度高温区的温度为1000～1100℃。
5.根据权利要求1所述的利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的方法，其特征在于，
步骤(3)中，所述保护气体包括氩气。
6.根据权利要求1所述的利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的方法，其特征在于，
步骤(3)中，所述还原性气体包括氢气。
7.根据权利要求1所述的利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的方法，其特征在于，
步骤(4)中，设置低温区的温度为200～500℃。
8.根据权利要求1所述的利用聚对二甲苯制备单层石墨烯的方法，其特征在于，
步骤(4)中，反应时间为1～60min。
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