[发明专利]一种两步化学气相沉积法制备石墨烯的方法

说明书

本发明公开一种两步化学气相沉积法制备石墨烯的方法，属于新材料制备领域。本发明以聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯和聚乙二醇粉末为固态碳源，铜粉或铜箔为催化基底，将固态碳源放置于气流上游温区，将铜粉或铜箔置于下游温区。使固态碳源与铜基底同时加热到一个较低的温度，保温一定时间，使固态碳源充分分解，并在铜基底上沉积低质量的多层石墨烯。将上、下游温区同时升温至1000℃以上，实现铜基底上较高质量少层或单层石墨烯的制备。本发明工艺简单、安全可控，碳源来源广泛，成本低，且能够在铜粉上生长较高质量的石墨烯，并易于实现工业化生产，在粉末冶金、复合材料、电力电子等领域具有广泛的潜在应用。

技术领域

本发明涉及一种两步化学气相沉积法制备石墨烯的方法，属于新材料制备领域。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子以sp2杂化方式构成的蜂窝状二维碳材料，由英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫于2004年用微机械剥离法从高定向热解石墨中分离得到，具有优异的电学、热学、力学和光学特性。石墨烯的室温载流子迁移率可达约 20,000 cm²/V/s，室温热导率可达 5300 W/mK，其卓越的本征性能使其在晶体管、透明电极、电容器、太阳能电池、纳米复合材料等各个领域拥有巨大的应用潜力，引起了人们广泛的关注和研究。尽管机械剥离法制备的石墨烯具有优异的热学和电学性能，但该方法制备的石墨烯尺寸小，产量低，无法满足工业应用的需求，因此研究人员探索开发了多种石墨烯的合成与制备方法。石墨烯的常用制备方法包括化学气相沉积法 (CVD)、氧化还原法、碳化硅热蒸发法和液相剥离法，其中化学气相沉积法制备的石墨烯具有面积大、质量高、易于转移到任意衬底等优点，是实现优质大面积石墨烯工业化生产的最有前景的方法之一。

目前，通过化学气相沉积法制备高质量的石墨烯主要采用甲烷、乙烯、乙炔等高纯气体为碳源，但成本较高，且具有一定的危险性。采用聚合物等固态碳源也是化学气相沉积法制备石墨烯的一种主要手段，因其成本低、来源广和安全性高，已成为该领域的研究热点。过去人们利用固态碳源来制备石墨烯，主要是先将铜箔直接升温至1000℃以上，然后加热固态碳源，使其在1000℃以上的高温下分解成碳原子，在铜箔上直接沉积石墨烯，这种传统方法在铜箔上能够制备石墨烯，但对于高温下容易粘接的铜粉来说并不适用。

本发明以聚合物为固态碳源，在常压下通过两步化学气相沉积法，先在低温区预先于铜粉上沉积低质量多层石墨烯以阻碍铜粉的高温粘接，然后通过程序控温，继续升至1000℃以上的高温区，利用氢气下高温退火，实现低质量多层石墨烯到高质量单层或少层石墨烯的转变，达到既可以在铜粉上又可以在铜箔上制备石墨烯的目的,而且制备过程简单、安全、可控，有助于推动石墨烯的产业化制备，具有重要的理论及实践意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种两步化学气相沉积法制备石墨烯的方法，该方法采用聚合物固态碳源，常压下通过两步化学气相沉积法在铜基底上生长高质量石墨烯的方法，铜基底包括铜粉或铜箔等任意形状的纯铜制品，具体包括以下步骤：

（1）取7g-50g铜粉作为催化基底，去除铜粉表面的氧化物。

（2）取5-200mg粉末状固态碳源置于上游温区，铜粉置于下游温区，通入高纯氢气和高纯氩气的混合气体，在30min内将上游温区升温至300-500℃，下游温区升温至500-600℃，保温时间为10-90min，保温结束后，然后在40min内将上游温区和下游温区同时升温至1000-1050℃，保温时间为10-120min，保温结束后，通过打开炉盖快速降温，在120min内降到室温，实现低质量多层石墨烯到高质量少层或单层石墨烯的转变，得到石墨烯-铜复合粉末，溶解铜粉以后得到石墨烯。

优选的，本发明步骤（1）中去除铜粉表面的氧化物的具体过程为：在氢气和氩气的混合气氛下于500-600 ℃还原60min以除去铜粉表面的氧化物。

优选的，本发明所述铜粉纯度大于等于99.99%，尺寸为5μm-200μm，一般选用商业纯铜粉。