CN109721047A - 一种石墨烯缺陷的修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种石墨烯缺陷的修复方法，其步骤为：将有缺陷的石墨烯分散均匀为石墨烯分散液；制备蓬松的石墨烯薄膜或者石墨烯粉体；将石墨烯的薄膜或者粉体在等离子气相沉积炉中在反应温度下进行反应；将冷却得到的石墨烯产物在真空管式炉中加热，保温并冷却，得到最终的石墨烯产物即修复后的石墨烯。本发明工艺简单，通过将有缺陷的石墨烯制作为石墨烯薄膜或者粉体，并依次在等离子气相沉积炉、真空管式炉中对有缺陷的石墨烯进行修复，提高了石墨烯的导电能力、机械强度、导热性能以及载流子迁移率，满足了石墨烯的使用需求，提高了石墨烯在生产生活中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯制备技术领域，尤其涉及一种石墨烯缺陷的修复方法。
背景技术
随着石墨烯制备技术的发展，大量的石墨烯制备技术被提出，现在制备石墨烯的方法有机械剥离法、氧化还原法、外延生长法和化学气相沉积法等，在制备过程中，石墨烯的缺陷总是不可避免的，石墨烯的缺陷主要有以下几种：
单空位缺陷(SV)是石墨烯中最普遍的点缺陷，这种缺陷的产生主要是由于石墨烯缺失一个碳原子，使得三个六元环变成一个九元环和一个五元环。
双空位缺陷(DV)稳定性高于单空位缺陷。这种缺陷的产生主要是两个相邻的碳原子缺失产生的。失去碳原子后石墨烯由四个六元环变成两个五元环和一个八元环。当缺失更多的碳原子之后可产生更复杂的多空位缺陷(MV)。
拓扑缺陷(SW)与空位缺陷不同，拓扑缺陷不缺少碳原子。它是由石墨烯中的一个C-C键在平面内旋转90°形成。这种旋转导致原来的四个六元环变成两个七元环和两个五元环。
研究发现，随着石墨烯缺陷的增多，石墨烯的机械强度、载流子迁移率、导电性和导热性变差，
缺陷影响石墨烯性质的原因：缺陷在石墨烯表面形成电子波散射中心，影响了电子的传递，最终影响了石墨烯的导电性。缺陷可引起局部化学键的减弱，这导致了热导率和机械强度减弱。当这些缺陷产生后石墨烯的结构大多会发生重构，增加了石墨烯局部的活性。这些缺陷大大降低了石墨烯的优异性能，无法满足石墨烯的使用需求，限制了石墨烯在生产生活中的应用，因此，急需一种石墨烯缺陷的修复方法。
发明内容
本发明旨在解决现有技术的不足，而提供一种石墨烯缺陷的修复方法。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：
一种石墨烯缺陷的修复方法，其特征在于，其步骤为：
(1)将有缺陷的石墨烯通过超声分散在溶液中，得到浓度为3-7mg/ml的分散均匀的石墨烯分散液；
(2)将石墨烯分散液通过喷涂方法得到蓬松的石墨烯薄膜或者通过干燥方法得到蓬松的石墨烯粉体；
(3)将石墨烯的薄膜或者粉体在等离子气相沉积炉中在反应温度下进行反应，然后随炉冷却；
(4)将冷却得到的石墨烯产物在真空管式炉中加热，保温并冷却，得到最终的石墨烯产物即修复后的石墨烯。
作为优选，所述步骤(1)中的溶液为异丙醇、水或NMP中的任意一种。
作为优选，所述步骤(2)中的干燥方法采用喷雾干燥和冷冻干燥中的任意一种。
作为优选，所述步骤(2)中的喷涂方法是将石英片放在丙酮溶液中，超声清洗30min，超声结束后，用异丙醇、乙醇、去离子水依次清洗石英片，最后在真空干燥箱中干燥，得到无污染的石英片，将步骤(1)中的石墨烯分散液通过超声喷涂在石英片上得到蓬松的石墨烯薄膜。
作为优选，所述步骤(3)中等离子气相沉积炉的实验温度范围为750-900℃，炉内的气体为CH4/Ar/H2混合气体，其中CH4气流量为1sccm、Ar气体流量为0.5sccm、H2气体流量为20sccm。
作为优选，所述等离子气相沉积炉中的反应时间为5-10min。
作为优选，所述步骤(4)中真空管式炉的温度范围为400-600℃，反应时间为10-20min，炉内保持真空10-1Pa。
本发明的有益效果是：本发明提供一种石墨烯缺陷的修复方法，工艺简单，通过将有缺陷的石墨烯制作为石墨烯薄膜或者粉体，并依次在等离子气相沉积炉、真空管式炉中对有缺陷的石墨烯进行修复，提高了石墨烯的导电能力、机械强度、导热性能以及载流子迁移率，满足了石墨烯的使用需求，提高了石墨烯在生产生活中的应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
一种石墨烯缺陷的修复方法，其特征在于，其步骤为：
(1)将有缺陷的石墨烯通过超声分散在溶液中，得到浓度为3-7mg/ml的分散均匀的石墨烯分散液；
(2)将石墨烯分散液通过喷涂方法得到蓬松的石墨烯薄膜或者通过干燥方法得到蓬松的石墨烯粉体；
(3)将石墨烯的薄膜或者粉体在等离子气相沉积炉中在反应温度下进行反应，然后随炉冷却；
(4)将冷却得到的石墨烯产物在真空管式炉中加热，保温并冷却，得到最终的石墨烯产物即修复后的石墨烯。
作为优选，所述步骤(1)中的溶液为异丙醇、水或NMP中的任意一种。
作为优选，所述步骤(2)中的干燥方法采用喷雾干燥和冷冻干燥中的任意一种。
作为优选，所述步骤(2)中的喷涂方法是将石英片放在丙酮溶液中，超声清洗30min，超声结束后，用异丙醇、乙醇、去离子水依次清洗石英片，最后在真空干燥箱中干燥，得到无污染的石英片，将步骤(1)中的石墨烯分散液通过超声喷涂在石英片上得到蓬松的石墨烯薄膜。
作为优选，所述步骤(3)中等离子气相沉积炉的实验温度范围为750-900℃，炉内的气体为CH4/Ar/H2混合气体，其中CH4气流量为1sccm、Ar气体流量为0.5sccm、H2气体流量为20sccm。
作为优选，所述等离子气相沉积炉中的反应时间为5-10min。
作为优选，所述步骤(4)中真空管式炉的温度范围为400-600℃，反应时间为10-20min，炉内保持真空10-1Pa。
实施例1
一种石墨烯缺陷的修复方法，其步骤为：
(1)将3g有缺陷的石墨烯通过超声分散在1000ml异丙醇中，超声分散30min，得到浓度为3mg/ml的分散均匀的石墨烯分散液；
(2)将石英片放在丙酮溶液中，超声清洗30min，超声结束后，用异丙醇、乙醇、去离子水依次清洗石英片，最后在真空干燥箱中干燥，得到无污染的石英片，将步骤(1)中的石墨烯分散液通过超声喷涂在石英片上得到蓬松的石墨烯薄膜；
(3)将石墨烯的薄膜在等离子气相沉积炉中在反应温度下进行反应，等离子气相沉积炉的实验温度为750℃，炉内的气体为CH4/Ar/H2混合气体，其中CH4气流量为1sccm、Ar气体流量为0.5sccm、H2气体流量为20sccm，反应时间为10min，然后随炉冷却；
(4)将冷却得到的石墨烯产物在真空管式炉中加热，真空管式炉的温度为400℃，反应时间为20min，炉内保持真空10-1Pa，冷却，得到最终的石墨烯产物即修复后的石墨烯。
实施例2
一种石墨烯缺陷的修复方法，其步骤为：
(1)将7g有缺陷的石墨烯通过超声分散在1000ml水中，超声分散30min，得到浓度为7mg/ml的分散均匀的石墨烯分散液；
(2)将石墨烯分散液通过喷雾干燥方法得到蓬松的石墨烯粉体；
(3)将石墨烯粉体在等离子气相沉积炉中在反应温度下进行反应，等离子气相沉积炉的实验温度为900℃，炉内的气体为CH4/Ar/H2混合气体，其中CH4气流量为1sccm、Ar气体流量为0.5sccm、H2气体流量为20sccm，反应时间为5min，然后随炉冷却；
(4)将冷却得到的石墨烯产物在真空管式炉中加热，真空管式炉的温度为600℃，反应时间为10min，炉内保持真空10-1Pa，冷却，得到最终的石墨烯产物即修复后的石墨烯。
实施例3
一种石墨烯缺陷的修复方法，其步骤为：
(1)将4g有缺陷的石墨烯通过超声分散在1000ml水中，超声分散30min，得到浓度为4mg/ml的分散均匀的石墨烯分散液；
(2)将石墨烯分散液通过冷冻干燥方法得到蓬松的石墨烯粉体；
(3)将石墨烯粉体在等离子气相沉积炉中在反应温度下进行反应，等离子气相沉积炉的实验温度为800℃，炉内的气体为CH4/Ar/H2混合气体，其中CH4气流量为1sccm、Ar气体流量为0.5sccm、H2气体流量为20sccm，反应时间为8min，然后随炉冷却；
(4)将冷却得到的石墨烯产物在真空管式炉中加热，真空管式炉的温度为500℃，反应时间为15min，炉内保持真空10-1Pa，冷却，得到最终的石墨烯产物即修复后的石墨烯。
实施例4
一种石墨烯缺陷的修复方法，其步骤为：
(1)将4g有缺陷的石墨烯通过超声分散在1000ml水中，超声分散30min，得到浓度为4mg/ml的分散均匀的石墨烯分散液；
(2)将石墨烯分散液在液氮下冷冻6h，通过冷冻干燥方法在真空冷冻干燥机中干燥16h，得到蓬松的石墨烯粉体；
(3)将石墨烯的薄膜或者粉体在等离子气相沉积炉中在反应温度下进行反应，等离子气相沉积炉的实验温度为800℃，炉内的气体为CH4/Ar/H2混合气体，其中CH4气流量为1sccm、Ar气体流量为0.5sccm、H2气体流量为20sccm，反应时间为10min，然后随炉冷却；
(4)将冷却得到的石墨烯产物在真空管式炉中加热，真空管式炉的温度为500℃，反应时间为20min，炉内保持真空10-1Pa，冷却，得到最终的石墨烯产物即修复后的石墨烯。
实施例5
一种石墨烯缺陷的修复方法，其步骤为：
(1)将6g有缺陷的石墨烯通过超声分散在1000mlNMP中，超声分散30min，得到浓度为6mg/ml的分散均匀的石墨烯分散液；
(2)将石墨烯分散液在喷雾干燥炉中(150℃)通过喷雾干燥方法得到蓬松的石墨烯粉体；
(3)将石墨烯粉体在等离子气相沉积炉中在反应温度下进行反应，等离子气相沉积炉的实验温度为850℃，炉内的气体为CH4/Ar/H2混合气体，其中CH4气流量为1sccm、Ar气体流量为0.5sccm、H2气体流量为20sccm，反应时间为8min，然后随炉冷却；
(4)将冷却得到的石墨烯产物在真空管式炉中加热，真空管式炉的温度为550℃，反应时间为15min，炉内保持真空10-1Pa，,冷却，得到最终的石墨烯产物即修复后的石墨烯。
实施例6
一种石墨烯缺陷的修复方法，其步骤为：
(1)将5g有缺陷的石墨烯通过超声分散在1000ml异丙醇中，超声分散20min，得到浓度为5mg/ml的分散均匀的石墨烯分散液；
(2)将石墨烯分散液在喷雾干燥炉中(150℃)通过喷雾干燥方法得到蓬松的石墨烯粉体；
(3)将石墨烯粉体在等离子气相沉积炉中在反应温度下进行反应，等离子气相沉积炉的实验温度为900℃，炉内的气体为CH4/Ar/H2混合气体，其中CH4气流量为1sccm、Ar气体流量为0.5sccm、H2气体流量为20sccm，反应时间为5min，然后随炉冷却；
(4)将冷却得到的石墨烯产物在真空管式炉中加热，真空管式炉的温度为600℃，反应时间为10min，炉内保持真空10-1Pa，冷却，得到最终的石墨烯产物即修复后的石墨烯。
上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种石墨烯缺陷的修复方法，其特征在于，其步骤为：
(1)将有缺陷的石墨烯通过超声分散在溶液中，得到浓度为3-7mg/ml的分散均匀的石墨烯分散液；
(2)将石墨烯分散液通过喷涂方法得到蓬松的石墨烯薄膜或者通过干燥方法得到蓬松的石墨烯粉体；
(3)将石墨烯的薄膜或者粉体在等离子气相沉积炉中在反应温度下进行反应，然后随炉冷却；
(4)将冷却得到的石墨烯产物在真空管式炉中加热，保温并冷却，得到最终的石墨烯产物即修复后的石墨烯。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯缺陷的修复方法，其特征在于，所述步骤(1)中的溶液为异丙醇、水或NMP中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯缺陷的修复方法，其特征在于，所述步骤(2)中的干燥方法采用喷雾干燥和冷冻干燥中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯缺陷的修复方法，其特征在于，所述步骤(2)中的喷涂方法是将石英片放在丙酮溶液中，超声清洗30min，超声结束后，用异丙醇、乙醇、去离子水依次清洗石英片，最后在真空干燥箱中干燥，得到无污染的石英片，将步骤(1)中的石墨烯分散液通过超声喷涂在石英片上得到蓬松的石墨烯薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯缺陷的修复方法，其特征在于，所述步骤(3)中等离子气相沉积炉的实验温度范围为750-900℃，炉内的气体为CH4/Ar/H2混合气体，其中CH4气流量为1sccm、Ar气体流量为0.5sccm、H2气体流量为20sccm。
6.根据权利要求5所述的一种石墨烯缺陷的修复方法，其特征在于，所述等离子气相沉积炉中的反应时间为5-10min。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯缺陷的修复方法，其特征在于，所述步骤(4)中真空管式炉的温度范围为400-600℃，反应时间为10-20min，炉内保持真空10-1Pa。
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