CN110697694A - 一种液态金属气相沉积制备石墨烯的方法 - Google Patents

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    • C01B32/184—Preparation
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Abstract

本发明公开了一种液态金属气相沉积制备石墨烯的方法，包括以下步骤：1)将基体铜、镍或铜镍合金清洗后，置于气相沉积炉的石墨坩埚中，通入氮气保持压力为0.1Mpa以上；2)升温加热熔融为铜、镍或铜镍熔融液；3)向熔融液中通入气态烷烃，石墨烯随气体飘浮至熔融液面上，4)停止通入气态烷烃后，停止加热，直到熔融液冷却凝固后停止通入氮气，所得产品经三氯化铁和盐酸混合溶液进行酸洗去除基体，清洗后干燥得石墨烯成品。本发明创造性的在熔融的液态金属中鼓泡生产石墨烯，实现高品质连续生产，大大提高生产效率。

Description

一种液态金属气相沉积制备石墨烯的方法
技术领域
本发明涉及一种液态金属气相沉积制备石墨烯的方法。
背景技术
CVD气相沉积法是目前生产高品质石墨烯的最佳方法，其通过封闭环境下在高温铜箔上通入含碳气体，高温分解碳原子在铜箔表面有序排列生成石墨烯，其生产的石墨烯品质高，但存在着效率低、成本高、无法规模化生产等缺点。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决以上现有技术的不足，提供一种液态金属气相沉积制备石墨烯的方法，创造性的在熔融的液态金属中鼓泡生产石墨烯，实现高品质连续生产，大大提高生产效率。
技术方案：本发明所述的一种液态金属气相沉积制备石墨烯的方法，包括以下步骤：
1)将基体铜、镍或铜镍合金清洗后，置于气相沉积炉的石墨坩埚中，将气相沉积炉抽真空，再向系统中通入氮气至正压，反复操作三次至系统氮气压力保持为0.1Mpa以上；
2)按800-1200Nm3/h速度通入氮气，启动电加热系统，将铜、镍或铜镍合金加热熔融为铜、镍或铜镍熔融液，并升温至1100-1500度；
3)向熔融液中按20-100Nm3/h通入气态烷烃，石墨烯随气体飘浮至熔融液面上，其中，每小时通入气态烷烃的体积为熔融液体积的200-300％；
4)停止通入气态烷烃后，停止加热，直到熔融液冷却凝固后停止通入氮气，所得产品经三氯化铁和盐酸混合溶液进行酸洗去除基体，再清洗后干燥得石墨烯成品。
优选地，所述的气态烷烃为天燃气、甲烷、乙炔或丙烷。
优选地，所述的基体铜、镍或铜镍合金依次采用丙酮、去离子水清洗。
优选地，气相沉积炉采用循环水冷却。
优选地，所述的气相沉积炉的石墨坩埚底部分布有若干进气孔，气态烷烃采用底部进气的方式通入铜液中，或者，所述的气相沉积炉的石墨坩埚内设置有气体分布器，气态烷烃通过气体分布器通入铜液中。
有益效果：
1、液态金属气相沉积法开创性的使用熔融的液态金属代替固态金属，将含碳气体通入熔融的液态金属，在气泡表面发生碳裂解沉积、有序排列生成石墨烯，生产的石墨烯漂浮于液体金属表面，通过气流连续采出，从而实现连续生产，本方法可实现石墨烯的连续生产，极大提高生产效率(达250g-1200g/h)，大大降低生产成本，并可实现规模化工业生产。
2、与传统气相沉积法相比，产品生产效率非常高；和氧化石墨还原法相比，石墨烯产品缺陷小很多，品质更高。
附图说明
图1为石墨烯产品的电子显微镜扫描图谱；
图2为石墨烯产品拉曼光谱分析图；
图3为石墨烯产品原子力显微镜扫描图谱。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例1
1)将150L基体铜颗粒清洗后，置于气相沉积炉300L石墨坩埚(石墨坩埚底部分布有大量0.3mm进气孔)中，将气相沉积炉抽真空至10-3pa，再向系统中通入氮气至正压，反复操作三次至系统氮气压力保持为0.1Mpa；
2)按1000Nm3/h速度通入氮气，启动电加热系统，将铜颗粒加热熔融为铜熔融液，并升温至1200度；
3))向熔融液中按36Nm3/h通入天然气，石墨烯随气体飘浮至熔融液面上，其中，每小时通入气态烷烃的体积为铜、镍或铜镍熔融液体积的240倍；
4)停止通入天燃气后，停止加热，直到铜熔融液冷却凝固后停止通入氮气，所得产品经三氯化铁和盐酸混合溶液进行酸洗去除基体，再清洗后干燥得石墨烯成品。
实施例2
1)将150L基体镍颗粒清洗后，置于气相沉积炉300L石墨坩埚(石墨坩埚底部分布有大量0.3mm进气孔)中，将气相沉积炉抽真空至10-3pa，再向系统中通入氮气至正压，反复操作三次至系统氮气压力保持为0.1Mpa；
2)按1000Nm3/h速度通入氮气，启动电加热系统，将镍颗粒加热熔融为镍熔融液，并升温至1500度；
3)向熔融液中按30Nm3/h通入天然气，石墨烯随气体飘浮至熔融液面上，其中，每小时通入气态烷烃的体积为铜、镍或铜镍熔融液体积的200倍
4)停止通入丙烷后，停止加热，直到镍熔融液冷却凝固后停止通入氮气，所得产品经三氯化铁和盐酸混合溶液进行酸洗去除基体，再清洗后干燥得石墨烯成品。
所述的石墨烯成品的电子显微镜扫描图如图1所示，可见产品为薄层片状结构，且高度褶皱；拉曼光谱分析图如图2所示，产品D峰非常小，说明产品缺陷小，品质高；原子力显微镜扫描如图3所示，石墨烯在AFM下观测到的厚度在5nm；石墨烯原子层数在3-40层，并高度褶皱。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种液态金属气相沉积制备石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将基体铜、镍或铜镍合金清洗后，置于气相沉积炉的石墨坩埚中，将气相沉积炉抽真空，再向系统中通入氮气至正压，反复操作三次至系统氮气压力保持为0.1Mpa以上；
2)按800-1200Nm3/h速度通入氮气，启动电加热系统，将铜、镍或铜镍合金加热熔融为铜、镍或铜镍熔融液，并升温至1100-1500度；
3)向熔融液中按20-100Nm3/h通入气态烷烃，石墨烯随气体飘浮至熔融液面上，其中，每小时通入气态烷烃的体积为熔融液体积的200-300％；
4)停止通入气态烷烃后，停止加热，直到熔融液冷却凝固后停止通入氮气，所得产品经三氯化铁和盐酸混合溶液进行酸洗去除基体，再清洗后干燥得石墨烯成品。
2.根据权利要求1所述的一种液态金属气相沉积制备石墨烯的方法，其特征在于，气态烷烃为天燃气、甲烷、乙炔或丙烷。
3.根据权利要求1所述的一种液态金属气相沉积制备石墨烯的方法，其特征在于，步骤1)中，所述的基体铜、镍或铜镍合金依次采用丙酮、去离子水清洗。
4.根据权利要求1所述的一种液态金属气相沉积制备石墨烯的方法，其特征在于，气相沉积炉采用循环水冷却。
5.根据权利要求1所述的一种液态金属气相沉积制备石墨烯的方法，其特征在于，所述的气相沉积炉的石墨坩埚底部分布有若干进气孔，气态烷烃采用底部进气的方式通入铜液中。
6.根据权利要求1所述的一种液态金属气相沉积制备石墨烯的方法，其特征在于，所述的气相沉积炉的石墨坩埚内设置有气体分布器，气态烷烃通过气体分布器通入铜液中。
7.根据权利要求1所述的一种液态金属气相沉积制备石墨烯的方法，其特征在于，所述的三氯化铁与盐酸的混合溶液中三氯化铁与盐酸的质量比为3:1。
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