[发明专利]石墨烯生产方法

说明书

本发明涉及一种生产石墨烯的方法，该方法包括以下步骤：提供包含一个或多个供体原子的聚合石墨烯前体；对所述聚合石墨烯前体进行整体热处理，产生石墨烯；及对从所述整体热处理获得的石墨烯进行一个或多个机械剥离处理，其中，所述一个或多个剥离处理包括球磨。

技术领域

本发明涉及一种生产石墨烯的方法、涉及由此生产的石墨烯以及通过所述方法生产的石墨烯的用途。特别是，本发明涉及一种生产掺杂石墨烯的方法。

背景技术

有许多生产石墨烯的商业方法，包括机械剥离法(mechanical exfoliation)、液相剥离法(liquid-phase exfoliation)、SiC外延生长法(epitaxial growth of grapheneon silicon carbide)和化学气相沉积法(chemical vapour deposition)。

石墨(graphite)是由多个石墨烯片(graphene sheets)组成的，这些石墨烯片通过弱范德华力结合在一起。因此，如果这些键断开，就可以得到高纯度的石墨烯片。可利用机械剥离来克服范德华力，一种常见的方法是用等离子体干法刻蚀高定向热解石墨(highly oriented pyrolytic graphite，HOPG)片。存在于光刻胶上的石墨烯用Scotch胶带剥离，单层或几层石墨烯片在转移到硅衬底之前被释放。虽然这种方法是可靠的，并且能够获得质量好、缺陷少的石墨烯，但这种方法是劳动密集型的，涉及多个步骤。此外，获得的石墨烯是疏水性的，这使得它很难与通常用于复合材料和涂料等应用的聚合物材料混合并掺入其中。

另一种生产石墨烯的方法是液相剥离法(LPE)。LPE通常涉及三个步骤，包括：将石墨分散在溶剂中、从石墨中剥离石墨烯、及提纯剥离的石墨烯。石墨烯的剥离可通过在离子液体和水的混合物中从石墨阳极上电化学剥离石墨烯、对石墨进行酸剥离以产生可溶液分散的氧化石墨烯片或在有机溶剂中进行超声处理来实现。LPE方法的缺点是倾向于产生尺寸相对较小(小于1mm)的石墨烯片，并且需要从化学残留物中提纯，这样降低了所获得的石墨烯的电气和电化学性能。

Hummers法(一种LPE方法)常用于制备氧化石墨(GO)。该方法通常包括以下步骤：在硝酸钠、高锰酸钾和硫酸的混合物中氧化石墨，然后，对氧化石墨进行超声处理产生氧化石墨烯。然后，还原氧化石墨烯产生石墨烯。然而，Hummers法的一个缺点是它相对复杂，因为它需要结合化学和机械处理。此外，该方法利用了化学酸，并会产生有毒的亚硝气(nitrous gas)，如果不对它们进行适当的处理和处置，是有害且有污染性的。另一个缺点是，还原石墨烯上的表面缺陷是不可避免的。这一点很重要，因为缺陷的存在会降低石墨烯的电气和电化学性能。

碳化硅(SiC)的热分解也可用于生产具有1-3层的石墨烯。在这种方法中，SiC衬底在1250℃～1450℃的温度下被加热，使石墨烯在衬底上外延生长。虽然这种方法可以大规模地生产多层石墨烯，但SiC衬底相对昂贵，而且需要高度专业化的设备和人员来生长石墨烯，这进一步增加了生产成本。

也可以采用化学气相沉积法(CVD)来生产石墨烯。CVD法可分为两类，即热CVD和等离子体增强CVD。热CVD和等离子体增强CVD法都能以相对较低的成本大量生产高质量的石墨烯。然而，这两种方法都需要使用危险的气态碳前体，而且获得的石墨烯通常含有缺陷，会降低石墨烯的电子和电化学性能。此外，它们需要金属衬底前体，如Cu或Ni，以使石墨烯在其上形成和生长。将石墨烯从金属衬底上移除还需要另一个过程。