CN110451496B - 一种连续放量制备粉体石墨烯的方法 - Google Patents
一种连续放量制备粉体石墨烯的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种连续放量制备粉体石墨烯的方法,包括:S1,向微波等离子体化学气相沉积系统中通入惰性气体以产生等离子体;S2,向微波等离子体化学气相沉积系统中通入碳源进行粉体石墨烯的气相生长;S3,停止通入碳源,并通入刻蚀剂刻蚀所述微波等离子体化学气相沉积系统中残留的石墨烯;以及S4,重复步骤S1‑S3,以实现粉体石墨烯的连续放量制备。本发明的方法可实现粉体石墨烯的长时间不间断制备,获得的粉体石墨烯品质高,纯度高,含氧量低,且为100%的尺寸在300nm以下的片层石墨烯,有利于石墨烯片的连续化和批量化制备,具有极大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及碳材料领域,特别涉及一种连续放量制备粉体石墨烯的方法。
背景技术
2004年,Geim教授和Novoselov博士通过胶带剥离法制备出了单层石墨烯(K.S.Novoselov,et al.Science 2004,306,666),二人也因此获得了2010年诺贝尔物理学奖,自此引发了人们极大的研究热潮。石墨烯的性质优异,拥有极大的比表面积,极高的杨氏模量和电子迁移率以及最高的热导率等,使得其在传感器、催化、能源等领域具有极大的应用前景。
石墨烯的制备主要有自下而上的生长,以及自上而下的剥离两种方法。以化学气相沉积法为代表的自下而上的生长方法,可以实现石墨烯薄膜的卷对卷生长,可获得近30英寸的石墨烯薄膜(B.H.Hong,et al.Nat.Nanotech.2010,5,574),但是昂贵的金属催化剂以及高耗能体系的应用难免限制石墨烯薄膜的量化制备。以Hummers方法(W.S.Hummers,etal.J.Am.Chem.Soc.1958,80,1339)为代表的自上而下的剥离方法在现阶段可以实现成百上吨级石墨烯粉体的制备,但是伴随而来的是石墨烯品质较差,含氧量较高,并且后处理复杂以及污染严重等问题。
因此,如何低成本地大量制备高品质石墨烯就目前而言仍然是巨大的挑战。特别地,在大量制备石墨烯粉体的过程中,如何实现其连续化制备则摆在更为突出的位置。
发明内容
本发明的目的是提供一种可实现粉体石墨烯的连续放量制备的方法,得到高品质的粉体石墨烯。
为实现上述目的,本发明所采用的方案为:
一种连续放量制备粉体石墨烯的方法,包括以下步骤:
S1,向微波等离子体化学气相沉积系统中通入惰性气体以产生等离子体;
S2,向微波等离子体化学气相沉积系统中通入碳源进行粉体石墨烯的气相生长;
S3,停止通入碳源,并通入刻蚀剂刻蚀所述微波等离子体化学气相沉积系统中残留的石墨烯;以及
S4,重复步骤S1-S3,以实现粉体石墨烯的连续放量制备;
其中所述微波等离子体化学气相沉积系统包括高压电源、磁头、环形器、调解器、微波反应腔以及短路器,所述微波反应腔中设有石英管。
在一些实施例中,所述微波等离子体化学气相沉积系统为常压微波等离子体化学气相沉积系统或低压微波等离子体化学气相沉积系统。
在一些实施例中,所述惰性气体选自氩气、氪气和氙气中的一种或多种。
在一些实施例中,所述碳源选自烃、醇、醚、酮和酚中的一种或多种。
在一些实施例中,所述刻蚀剂选自氧气、水蒸气、二氧化碳和空气中的一种或多种。
在一些实施例中,当所述刻蚀剂为氧气、二氧化碳或空气时,所述刻蚀剂采用直接引入的方式通入;当所述刻蚀剂为水蒸气时,所述刻蚀剂采用氩气吹拂引入的方式通入。
在一些实施例中,步骤S3中还包括使用原位气相色谱监测刻蚀终点。
本发明的方法可实现粉体石墨烯的长时间不间断制备,获得的粉体石墨烯品质高,纯度高,含氧量低,且为100%的尺寸在300nm以下的片层石墨烯,有利于石墨烯片的连续化和批量化制备,具有极大的应用前景。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式,本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1是本发明所采用的微波等离子体化学气相沉积系统的结构示意图。
图2A是本发明实施例1(线1)、实施例3(线2)制得粉体石墨烯的拉曼图谱;
图2B是本发明实施例1制得粉体石墨烯的热重曲线;
图2C是本发明实施例1制得粉体石墨烯的XPS图;
图2D是本发明实施例1制得粉体石墨烯的TEM图;
图2E是本发明实施例1制得粉体石墨烯的BET图;
图3A是本发明实施例3制得粉体石墨烯的热重曲线;
图3B是本发明实施例3制得粉体石墨烯的XPS图;
其中,附图标记说明如下:
1:短路器
2:微波反应腔
3:石英管
4:调节器
5:环形器
6:磁头
7:高压电源
具体实施方式
下面根据具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。本发明的保护范围不限于以下实施例,列举这些实例仅出于示例性目的而不以任何方式限制本发明。
本发明提供的粉体石墨烯连续放量制备方法,是通过微波等离子体化学气相沉积系统来实现的,包括以下步骤:
S1,向微波等离子体化学气相沉积系统中通入惰性气体以产生等离子体;
S2,向微波等离子体化学气相沉积系统中通入碳源进行粉体石墨烯的气相生长;
S3,停止通入碳源,并通入刻蚀剂刻蚀微波等离子体化学气相沉积系统中残留的石墨烯;以及
S4,重复步骤S1-S3,以实现粉体石墨烯的连续放量制备。
图1是本发明所采用的微波等离子体化学气相沉积系统的结构示意图,如图1所示,微波等离子体化学气相沉积系统包括短路器1、微波反应腔2、调解器4、环形器5、磁头6、以及高压电源7。
短路器1和调节器4设置在微波反应腔2的两侧,微波反应腔2中设有石英管3并且通过调节器4和环形器5与磁头6相连,磁头6由高压电源7提供电力。
本发明所用的微波等离子体化学气相沉积系统可为常压微波等离子体化学气相沉积系统或低压微波等离子体化学气相沉积系统,可实现在常压或者低压状态下等离子体的持续产生。
本发明的方法中用于产生等离子体的惰性气体选自氩气、氪气和氙气中的一种或多种,碳源选自烃、醇、醚、酮和酚中的一种或多种,其中惰性气体流量为(1.2SLM~20SLM,SLM,标况升每分钟)碳源气体流量2~100sccm(sccm,标况毫升每分钟),其中碳源的浓度影响体系的放电稳定状态,也影响石墨烯的品质以及形貌,同时影响石墨烯的产生速率。
粉体石墨烯的气相生长过程中,微波等离子体化学气相沉积系统的微波功率可调节,变化范围为200W~2000W,例如为700W或1000W,微波的功率影响石墨烯的品质与形貌,同时也影响碳源的裂解程度及碳源转化成石墨烯的转化率。
在微波等离子体化学气相沉积系统中,惰性气体可直接在常压或低压状态下于微波反应腔中进行电离产生等离子体,产生的等离子体以及高温会促进碳源的裂解以及石墨烯的形成。反应过程不借由任意催化剂或者基底,石墨烯直接在气相中产生,并随气流飘离出体系后进行收集。
气相生长持续一段时间后,部分石墨烯会粘连在管壁,位于石英管3在反应腔2部分残留的石墨烯影响微波反应腔中微波分布,进而影响反应的持续性进行,因此可通过“脉冲刻蚀法”可实现反应的连续性进行,即采用气相生长-刻蚀-气相生长-刻蚀的循环方式实现连续制备。
本发明是在粉体石墨烯的气相生长持续的过程中间歇性地停止通入碳源,并在此期间通入刻蚀剂刻蚀微波腔中残留在微波等离子体化学气相沉积系统中的石墨烯,残留的石墨烯通常位于石英管3的管壁上。
本发明的方法中所用的刻蚀剂选自氧气、水蒸气、二氧化碳和空气中的一种或多种。刻蚀时所用微波功率为500~1000W,过高的功率容易造成石英管管壁损坏,过低的功率会使得刻蚀时间变长。本发明所用的刻蚀剂对其种类有要求,选择较好的刻蚀剂(诸如氧气)可以实现石墨烯在短时间内(1~2min)被刻蚀完全,而选择较弱的刻蚀剂(诸如二氧化碳)则需要较长的时间(5~30min)才能使石墨烯被刻蚀完全。此外,刻蚀时间与刻蚀剂浓度也有一定的关系,刻蚀剂(如氧气)流量在5~50sccm,在低浓度范围下需要较长的时间才能被刻蚀完全,但浓度过高也会影响到反应体系的放电,因此刻蚀时需要选择合适的刻蚀剂浓度。为了判断刻蚀的终点,可以采用原位气相色谱,通过监测氧气引入过程中CO2信号结束的时刻判断刻蚀的终点(C+O2=CO2),其信号产生至结束的间隔即为刻蚀的时间。
本发明方法简单有效,所用的“脉冲刻蚀法”可以实现微波反应腔中的石墨烯在数分钟(例如小于2分钟)内刻蚀完全,使得管壁上附着的石墨烯不影响体系稳定地产生等离子体。同时由于产生的石墨烯已随气体飘离体系在低温区,因此刻蚀剂的引入不影响其高品质的特点,真正达到高质量石墨烯粉体的连续制备。本发明的方法连续放量制备粉体石墨烯的时间可大于24小时,理论上可一直连续制备粉体石墨烯,可获得百毫克及以上的高品质粉体石墨烯。
采用本发明的方法制备粉体石墨烯可实现长时间不间断反应,获得的粉体石墨烯品质高,纯度高(C含量>99.4%),含氧量低(O含量<0.6%),且为100%的尺寸在300nm以下的片层石墨烯,有利于其在高端领域的应用。
除非另作限定,本发明所用术语均为本领域技术人员通常理解的含义。
以下通过实施例对本发明作进一步地详细说明。
实施例
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明,均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
实施例1
采用如图1所示的微波等离子体化学气相沉积系统,通入1200sccm Ar吹赶体系中残留的空气。
通过调节微波功率至700W并引发体系产生Ar等离子体,之后通入3sccm CH4进入体系中。此时体系产生明亮的发光现象,同时在石英管尾端可见黑色絮状物持续飘离体系,收集黑色絮状物。
反应约25分钟后关闭CH4流量计,并可见微波反应腔区域的石英管壁残留较多的黑色物质。在700W功率下,此时通入9.9sccm氧气进入体系中,通过反应腔2开孔处可见黑色碳物质逐渐减少,约1~2分钟后可见微波反应腔区域的石英管壁无明显黑色物质残留,表明该区域残留石墨烯被刻蚀完全。
连续重复上述步骤反应约10h,得到大量粉体石墨烯,石英管壁未受到明显损伤,从而实现粉体石墨烯的连续放量制备。
图2A中线1是实施例1中粉体石墨烯的拉曼图谱,可见石墨烯具有极高的品质,其中ID/IG<0.3,I2D/IG>1.0。
图2B是实施例1中粉体石墨烯的热重曲线,通过TG曲线知石墨烯中几乎无杂质,并且高达约755℃的单一氧化峰表明粉体石墨烯具有高纯度、高结晶性的特点。
图2C是实施例1中粉体石墨烯的XPS图,其中碳氧比>165,氧含量约0.6%。
图2D是实施例1中粉体石墨烯的TEM图,通过不同区域分别采样发现获得的是具有100%片层的石墨烯。
图2E是实施例1中粉体石墨烯的BET图,从图中可以得出其比表面积大于250m2/g。
实施例2
采用如图1所示的微波等离子体化学气相沉积系统,通入1200sccm Ar吹赶体系中残留的空气。
通过调节微波功率至700W并引发体系产生Ar等离子体,之后通入3sccm CH4进入体系中。此时体系产生明亮的发光现象,同时在石英管尾端可见黑色絮状物持续飘离体系,收集黑色絮状物。
反应约25分钟后关闭CH4流量计,并可见微波反应腔区域的石英管壁残留较多的黑色物质。此时通入9.9sccm氧气进入体系中,约1~2分钟后可见微波反应腔区域的石英管壁无明显黑色物质残留,表明该区域残留石墨烯被刻蚀完全。
在不同时间段分别重复上述步骤,累计重复时间大于50h,石英管未受到明显损伤,得到大量粉体石墨烯。
实施例3
采用如图1所示的微波等离子体化学气相沉积系统,通入1200sccm Ar吹赶体系中残留的空气。
通过调节微波功率至700W并引发体系产生Ar等离子体,之后通入3sccm CH4进入体系中。此时体系产生明亮的发光现象,同时在石英管尾端可见黑色絮状物持续飘离体系,收集黑色絮状物。
反应25~40min后发现体系等离子体状态出现抖动,体系反馈微波功率增大,石英管中积碳严重,管壁呈现红热状态,表明石英管壁积碳吸收微波严重。并且随时间延长,状态变差,反应被迫停止,多次实验后发现石英管壁出现损坏情况,并且石墨烯产量很低。因此,选择“脉冲刻蚀法”可以极大地提高反应的效率,同时提升石墨烯的产量。
取反应20min后样品进行表征,此时的石墨烯是不经过“脉冲刻蚀法”制备的石墨烯。
图2A中线2是实施例3中粉体石墨烯的拉曼图谱,可见石墨烯具有极高的品质,其中ID/IG<0.3,I2D/IG>1.0。
图3A是实施例3中粉体石墨烯的热重曲线,通过TG曲线知石墨烯中几乎无杂质,并且高达约751℃的单一氧化峰表明粉体石墨烯具有高纯度、高结晶性的特点。
图3B是实施例3中粉体石墨烯的XPS图,其中碳氧比>264,氧含量约0.34%。
通过对比可知“脉冲刻蚀法”不仅可以实现粉体石墨烯的连续制备,同时对获得的粉体石墨烯的品质不产生明显影响,显示出这一方法的可行性。
实施例4
采用如图1所示的微波等离子体化学气相沉积系统,通入3500sccm Ar吹赶体系中残留的空气。
通过调节微波功率至1000W并引发体系产生Ar等离子体,之后通入10sccm CH4进入体系中。此时体系产生明亮的发光现象,同时在石墨烯尾端可见黑色絮状物持续飘离体系,收集黑色絮状物。
反应约5分钟后关闭CH4流量计,并可见微波反应腔区域的石英管壁残留较多的黑色物质。将微波功率调节至700W,此时通入19.7sccm O2进入体系中,约1~2分钟后可见微波反应腔区域的石英管壁无明显黑色物质残留,表明该区域残留石墨烯被刻蚀完全。关闭O2通入,并按照上述步骤通入CH4,以此实现石墨烯粉体的连续化制备。
连续重复上述步骤反应约6h,得到大量粉体石墨烯,石英管壁未受明显损伤,从而实现粉体石墨烯的连续放量制备。
实施例5
采用如图1所示的微波等离子体化学气相沉积系统,通入1800sccm Ar吹赶体系中残留的空气。
通过调节微波功率至700W并引发体系产生Ar等离子体,之后通入6sccm CH4进入体系中。此时体系产生明亮的发光现象,同时在石墨烯尾端可见黑色絮状物持续飘离体系,收集黑色絮状物。
反应约10分钟后关闭CH4流量计,并可见微波反应腔区域的石英管壁残留较多的黑色物质。此时通入4.4sccm CO2进入体系中,可见反应腔区域的黑色碳物质在缓慢减少,并不如通入氧气反应快,需要较长时间约5~10分钟后才可见微波反应腔区域的石英管壁无明显黑色物质残留。
连续重复上述步骤反应约2h,得到大量粉体石墨烯,从而实现粉体石墨烯的连续放量制备。
综上所述,本发明的方法可实现粉体石墨烯的长时间不间断制备,获得的粉体石墨烯品质高,纯度高,含氧量低,且为100%的尺寸在300nm以下的片层石墨烯,有利于石墨烯片的连续化和批量化制备,具有极大的应用前景。
本领域技术人员应当注意的是,本发明所描述的实施方式仅仅是示范性的,可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进。因而,本发明不限于上述实施方式,而仅由权利要求限定。
Claims (7)
1.一种连续放量制备粉体石墨烯的方法,包括以下步骤:
S1,向微波等离子体化学气相沉积系统中通入惰性气体以产生等离子体;
S2,向微波等离子体化学气相沉积系统中通入碳源进行粉体石墨烯的气相生长;
S3,停止通入碳源,并通入刻蚀剂刻蚀所述微波等离子体化学气相沉积系统中残留的石墨烯;以及
S4,重复步骤S1-S3,以实现粉体石墨烯的连续放量制备;
其中所述微波等离子体化学气相沉积系统包括高压电源、磁头、环形器、调解器、微波反应腔以及短路器,所述微波反应腔中设有石英管。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述微波等离子体化学气相沉积系统为常压微波等离子体化学气相沉积系统或低压微波等离子体化学气相沉积系统。
3.根据权利要求1所述的方法,其中所述惰性气体选自氩气、氪气和氙气中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的方法,其中所述碳源选自烃、醇、醚、酮和酚中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的方法,其中所述刻蚀剂选自氧气、水蒸气、二氧化碳和空气中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的方法,其中当所述刻蚀剂为氧气、二氧化碳或空气时,所述刻蚀剂采用直接引入的方式通入;当所述刻蚀剂为水蒸气时,所述刻蚀剂采用氩气吹拂引入的方式通入。
7.根据权利要求1所述的方法,其中步骤S3中还包括使用原位气相色谱监测刻蚀终点。
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