CN105129786A - 一种大规模单层石墨烯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种大规模单层石墨烯的制备方法，包括以下步骤：(1)将金属材料片放入管式炉内，在常压条件下、惰性气体气氛中加热升温至煅烧温度800-1040℃，再通入氢气，在惰性气体和氢气的气氛中进行煅烧5-30分钟；(2)维持煅烧温度，向管式炉中通入碳源气体并通氢气，进行石墨烯的生长，生长30-120min；(3)关闭碳源气体和氢气，在惰性气体中快速冷却到室温。本发明制备工艺简单，可大规模生产；所制备的石墨烯具有单层、高质量且大规模化等优点；所用金属材料片可以完全除去；所得到的石墨烯材料结构稳定，性能佳。
Description
技术领域
本发明属于功能材料领域。涉及石墨烯及其制备方法。
背景技术
石墨烯作为一种新型的二维纳米材料，是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体。自2004年在实验上被发现以来，由于它优异的物理性能和在未来碳电子学的潜在应用，石墨烯不仅在理论科学上受到了极大关注，也在材料科学、催化、固态物理学、电子学、生物医学、磁学、光学、纳米电化学、传感器和储能等诸多领域展现出具有巨大的应用潜能，引起了科学界和产业界的广泛兴趣。目前人们已经利用机械剥离、碳化硅碳化外延法、氧化石墨还原、化学气相沉积(CVD)法等方法制备石墨烯。其中化学气相沉积(CVD)法制备方法简单，所得石墨烯质量较高，是目前最有潜力大规模工业生长石墨烯的一种方法。但是在常压条件下制备大规模高质量单层石墨烯的方法鲜有报道，高质量单层石墨烯运用到光伏、传感器、锂电子电池、燃料电池、超级电容器以及各种能量储存领域中的应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种大规模单层石墨烯的制备方法，在常压条件下大规模制备高质量单层石墨烯。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的大规模单层石墨烯的制备方法，包括以下步骤：
(1)将金属材料片放入管式炉内，在常压条件下、惰性气体气氛中加热升温至煅烧温度800-1040℃，再通入氢气，在惰性气体和氢气的气氛中进行煅烧5-30分钟；
(2)维持煅烧温度，向管式炉中通入碳源气体并通氢气，进行石墨烯的生长，生长30-120min，在煅烧后的金属材料片上沉积石墨烯；
(3)关闭碳源气体和氢气，在惰性气体中快速冷却到室温。
本发明步骤(1)中所述金属材料片为铜、镍或钴中的任意一种，所述惰性气体为氩气。
本发明步骤(2)中所述碳源气体为含碳的有机小分子气体，优选甲烷或乙炔。
所述的碳源气体与氢气的体积比为1:20-1:1，氢气与惰性气体的体积比为1:10。所述的碳源气体为甲烷时，甲烷的气流量为2-100sccm；所述的碳源气体为乙炔时，乙炔的气流量为1-70sccm。
本发明所述的步骤(1)中，金属材料片在使用前可以依次用冰醋酸、硝酸、清洗并用氮气吹干。
本发明所提供的生长大规模高质量单层石墨烯的金属以及石墨烯既可以作为电极材料，又可以作为储能材料用于能量储存。
本发明具有以下有益的效果。
(1)本发明制备工艺简单，可大规模生产；(2)本发明所制备的石墨烯具有单层、高质量且大规模化等优点；(3)本发明所用金属材料片可以完全除去；(4)本发明所得到的石墨烯材料结构稳定，性能佳；(5)本发明得到的高质量单层石墨烯可以直接用来进行物理特性检测，并运用到能源相关产品中。
附图说明
图1为发明制备高质量单层石墨烯的实验装置结构示意图。
图2为实施例1制备的大规模高质量单层石墨烯的场发射扫描电镜图。
图3为实施例2制备的大规模高质量单层石墨烯的场发射扫描电镜图。
图4为实施例3制备的大规模高质量单层石墨烯的场发射扫描电镜图。
图5为实施例4制备的大规模高质量单层石墨烯的场发射扫描电镜图。
图6为实施例1制备的大规模高质量单层石墨烯的光学显微镜图。
图7为实施例2制备的大规模高质量单层石墨烯的光学显微镜图。
图8为实施例3制备的大规模高质量单层石墨烯的光学显微镜图。
图9为实施例4制备的大规模高质量单层石墨烯的光学显微镜图。
图10为本发明制备的实施例1高质量单层石墨烯的拉曼光谱图。
图11为本发明制备的实施例2高质量单层石墨烯的拉曼光谱图。
图12为本发明制备的实施例3高质量单层石墨烯的拉曼光谱图。
图13为本发明制备的实施例4高质量单层石墨烯的拉曼光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
下面实施例中所述方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述材料试剂，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1。
(1)清洗铜片。
将铜片依次用冰醋酸、去离子水、硝酸溶液(浓硝酸:去离子水＝1:3)、去离子水、冰醋酸、去离子水各清洗10min，之后用氮气吹干。
(2)煅烧铜片。
所用实验装置如图1所示，将铜片放入管式炉石英管中，在常压条件下，通入氩气600sccm进行排气2min，然后加热升温，当温度升至1040℃时，通入氢气60sccm，并保持20min。
(3)生长石墨烯。
维持温度1040℃，20min后，将氩气量调为1000sccm，氢气量调为100sccm，甲烷30sccm，生长10min，关闭碳源和氢气，氩气保持1000sccm，快速降温到室温关闭氩气，即得到大规模高质量单层石墨烯。
(4)材料的表征。
将第(3)步骤得到的石墨烯进行拉曼(Raman)电镜表征(图6)，从图2和图10可知石墨烯为大规模高质量单层，分布均匀。
实施例2。
按实施例1中的制备方法，不同的是通入甲烷量是20sccm。
图7为本实施例高质量单层石墨烯的拉曼光谱图，从图3和图11可知石墨烯为大规模高质量单层，分布均匀。
实施例3。
按实施例1中的制备方法，不同的是煅烧温度为800℃。
图8为本实施例高质量单层石墨烯的拉曼光谱图，从图4和图12可知石墨烯为大规模高质量单层，分布均匀。
实施例4。
按实施例1中的制备方法，乙炔作为碳源，其通量为25sccm.
图9为本实施例高质量单层石墨烯的拉曼光谱图，从图5和图13可知石墨烯为大规模高质量单层，分布均匀。
Claims (3)
1.一种大规模单层石墨烯的制备方法，其特征是包括以下步骤：
(1)将金属材料放入管式炉内，在常压条件下、惰性气体气氛中加热升温至煅烧温度800-1040℃，再通入氢气，在惰性气体和氢气的气氛中进行煅烧5-30分钟；
(2)维持煅烧温度，向管式炉中通入碳源气体并通氢气，进行石墨烯的生长，生长30-120min；
(3)关闭碳源气体和氢气，在惰性气体中快速冷却到室温；
步骤(1)中所述金属材料为铜、镍或钴中的任意一种；
步骤(2)中所述碳源气体为含碳的有机小分子气体；所述的碳源气体与氢气的体积比为1:20-1:1，氢气与惰性气体的体积比为1:10；所述的碳源气体为甲烷时，甲烷的气流量为2-100sccm；所述的碳源气体为乙炔时，乙炔的气流量为1-70sccm。
2.根据权利要求1所述的大规模单层石墨烯的制备方法，其特征是步骤(1)中所述惰性气体为氩气。
3.根据权利要求1所述的大规模单层石墨烯的制备方法，其特征是步骤(2)中所述碳源气体为甲烷或乙炔。
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