[发明专利]多孔结构石墨烯材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多孔结构的石墨烯材料的制备方法，主要用于减小石墨烯的界面电阻，提高石墨烯导电性能。

背景技术

石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的碳质材料，它可看作是构建其它维数碳质材料(如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨)的基本单元。石墨烯具有许多奇特而优异的性能：热导率、载流子迁移率以及比表面积等均比较高，还具有分数量子霍尔效应、量子霍尔铁磁性和激子带隙等现象。这些优异的性能和独特的纳米结构，使石墨烯成为近年来广泛关注的焦点。目前石墨烯的制备方法主要有化学剥离法和化学气相沉积法等。

例如：中国专利CN200910187298中报道了一种石墨烯的制备技术，具体为一种大尺寸石墨烯的制备方法，适用于大尺寸石墨烯的宏量制备。该方法包括：(1)采用大尺寸石墨为原料，利用改性Hummers方法对石墨原料进行弱氧化；(2)采用弱超声或振荡方法将分散在水中的氧化石墨进行温和剥离，获得氧化石墨烯；(3)采用多次离心方法，通过控制离心转速和离心时间将氧化石墨烯分离，得到均匀的大尺寸氧化石墨烯；(4)将氧化石墨烯沉积在基体上，利用肼或水合肼还原，得到高质量、大尺寸石墨烯。

专利CN201010218410公开了一种合成石墨烯薄膜材料的方法，该方法通过化学气相沉积的方法，采用氢气加甲烷的混合气氛，在铜基底上生长石墨烯薄膜；然后将生长了石墨烯薄膜的铜基底平放在表面被氧化了硅基底上，放入硝酸铁溶液中，将铜基底溶掉，此时石墨烯薄膜将沉在硅基底上；接下来将溶液稀释，再将沉有石墨烯的硅基底从溶液中取出用真空干燥箱烘干；再将沉有石墨烯的硅基底超声清洗后，放入通氩气保护的退货炉中退火即可制的高质量的石墨烯样品。本发明简化了原来制备石墨烯薄膜所需要的复杂的步骤，避免了化学方法所需要的剧毒试剂，提高了石墨烯薄膜的生产效率，制备的石墨烯薄膜经拉曼光谱仪测量证明性能良好，具有很好的可重复性。

目前石墨烯的制备方法仍存在着一些问题。例如化学剥离法制备的石墨烯质量较差，石墨烯内部较多的缺陷，阻碍电子的快速传输。虽然通过化学气相沉积制备的石墨烯具有较高的质量，但是化学气相沉积一般采用铜或镍的金属薄膜作为衬底，得到的多为二维片状石墨烯，石墨烯片之间的界面电阻不利于电子的快速传输。与二维结构石墨烯相比，具有三维连续孔道结构的石墨烯内部晶界较少，可以作为电子快速导电网络。为了进一步提高石墨烯的电导率，促进石墨烯的实用化，有必要制备多孔结构的石墨烯材料。

发明内容

为了减小石墨烯材料的界面电阻，提高石墨烯的导电率，本发明提出一种多孔结构石墨烯材料的制备方法，以多孔氧化镁/硅复合材料为模板，利用化学气相沉积(CVD)法宏量制备多孔结构的石墨烯。

本发明提供一种多孔结构石墨烯材料的制备方法，包括：以多孔氧化镁/硅复合材料作为模板通过化学气相沉积法使碳源在所述多孔氧化镁/硅复合材料的结构内生长石墨烯形成氧化镁/硅/石墨烯复合结构的工序A；通过刻蚀去除复合结构中的模板材料的工序B，从而获得所述多孔结构石墨烯材料。

较佳地，本发明的方法还包括在所述工序A之前将混合均匀的金属镁粉和二氧化硅粉末的混合物作为原料、用氢气和氩气的混合气体将反应炉腔内的空气完全赶出(其中氢气和氩气的比例为5∶95)，于600℃-700℃热处理4-8h，得到多孔结构的氧化镁/硅复合材料的工序A1。

金属镁粉和二氧化硅粉末的摩尔比为2∶1。

工序A1中，以金属镁粉和二氧化硅粉末为原料、按照选定的比例使之混合均匀。例如可以将混合原料球磨适当时间使混合均匀。

优选地，上述工序A可以包括以下各工序，(1)将作为模板的多孔氧化镁/硅复合材料放入化学气相沉积反应室，用氢气和氩气的混合气体将反应炉腔内的空气完全赶出(其中氢气和氩气的比例为5∶95)，加热至反应温度800-1100℃，恒温0-60min的工序A1；(2)导入碳源使之与多孔氧化镁/硅复合材料进行反应的工序A2，其中气体流量为5-50SCCM，反应时间5-30min；以及，(3)冷却获得氧化镁/硅/石墨烯复合结构的工序A3。工序A2中导入的碳源，优选为乙炔、乙烯或甲烷气。工序A3中的冷却过程，优选地控制降温速率为10-300℃/min。

上述本发明的方法制得的多孔结构石墨烯的方块电阻可达2.3～15.6Ω·sq^-1。优选地可以达到2.3Ω·sq^-1。

工序B是通过将工序A制得的氧化镁/硅/石墨烯复合结构放入刻蚀液中以除去模板。刻蚀液优选地选用盐酸、氢氟酸或氢氧化钠溶液。