[发明专利]一种金属催化制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯材料制备技术领域，具体而言，涉及一种金属催化制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是由蜂窝状的单层碳原子组成的二维结构材料；在物理特性上，通常认为十层以上的石墨烯堆积的材料，就是三维结构的石墨。碳纳米管是由石墨烯滚成桶状的一维纳米材料。石墨烯具有卓越的二维电学、光学、热学、力学性能以及化学稳定性，其独特的二维结构和优异的晶体学特性使得其在光电子器件、传感器和太阳能等领域具有重要的使用价值。比如，石墨烯可以在常温下表现出量子霍尔效应及弹道输运现象，可以用来制备室温弹道输运晶体管，是未来信息纳米器件的重要基础新材料；石墨烯的电子传输速度是硅的150倍，有望制备出速度超越现有水平的超快速计算机。

目前，工业生产中最常用的制备粉体石墨烯的方法是氧化-还原法，使用石墨加入含有强氧化剂的溶液中，石墨被氧化后在层间带上羰基、羟基等基团，使石墨层间距变大变为氧化石墨，将氧化石墨通过还原剂还原后，将产物过滤后进一步使用浓硫酸进一步去除石墨烯片层表面的含氧官能团。在高温下热解还原，得到石墨烯。这种方式制备出的石墨烯，在还原后还是会含有含氧官能团，同时石墨烯有大量缺陷，会严重影响石墨烯的导电性能。氧化还原法过程中需要使用强氧化剂等化学试剂，如高锰酸钾浓硫酸等，处理过程中的废液会对环境造成污染。

发明内容

本发明是为了解决现有工业生产中采用氧化还原法制备的石墨烯电导率低，废液会对环境造成污染的问题，而提供一种金属催化制备石墨烯的方法。

本发明金属催化制备石墨烯的方法按下列步骤实现：

在惰性气体保护下将金属材料加热至完全熔化，然后将由惰性气体和碳源生长气体组成的混合气通入到熔融金属中，碳源生长气体在熔融金属中还原得到石墨烯并随气流离开，从气体中分离，得到石墨烯。

本发明所提供的石墨烯的制备方法，采用生长气体在熔融态的金属催化剂中气相沉积的方法，得到石墨烯。在过程中，采用惰性气体对反应环境进行保护，生长气体在熔融金属中还原得到石墨烯，石墨烯随惰性气体气流从液态金属中溢出，分离气体后得到石墨烯。该方法具有可制备质量高、产量大导电性能好的石墨烯粉体，同时不会对环境造成污染等优点。并且，该方法所需的生产设备容易实现工业化生产，适合大批量生产。

本发明金属催化制备石墨烯的方法所得到的石墨烯，该石墨烯为1～5层高质量的石墨烯，具有导电性能好等优点，其导电率可以达到10⁵～10⁶S/m，片径在2μm～1cm，尺寸范围选择空间大。

与现有技术相比，本发明金属催化制备石墨烯的方法包含以下有益效果：

1、本发明所提供的金属催化制备石墨烯的方法，采用生长气体在熔融态的金属催化剂中气相沉积的方法，该方法具有不需要引入化学试剂、不会对石墨烯的性能产生影响、也不会对环境造成影响等优点。

2、本发明所提供的金属催化制备石墨烯的方法所制备的石墨烯，为1～5层高质量的石墨烯，具有导电性能好等优点，其导电率可以达到10⁵～10⁶S/m，片径在2μm～1cm，尺寸范围选择空间大。

附图说明

图1为实施例1制备得到的石墨烯透镜测试图(TEM)；

图2为实施例2制备得到的石墨烯透镜测试图(TEM)；

图3为标准石墨烯以及实施例1～3所制备得到的石墨烯的拉曼光谱图；

图4为实施例4～7所制备得到的石墨烯的拉曼光谱图；

图5为本发明金属催化制备石墨烯的过程示意图，其中1代表导气管，2代表坩埚，3代表熔融金属，4代表气泡，5代表石墨烯。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式金属催化制备石墨烯的方法按下列步骤实现：

在惰性气体保护下将金属材料加热至完全熔化，然后将由惰性气体和碳源生长气体组成的混合气通入到熔融金属中，碳源生长气体在熔融金属中还原得到石墨烯并随气流离开，从气体中分离，得到石墨烯。

本实施方式金属材料在惰性气体保护下加热至完全熔化后，通入惰性气体和生长气体的混合气，生长气体在内分解后生成石墨烯，石墨烯随气流离开，分离气体，得到石墨烯。