專利名稱：石墨烯、石墨烯制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種石墨烯制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
石墨烯是2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈.Κ.海姆(Andre K.Geim)等發(fā)現(xiàn)的一種二維碳原子晶體，為單層或多層的極薄的碳材料。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)使其成為碳材料、納米技術(shù)、凝聚態(tài)物理和功能材料等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前制備石墨烯的方法主要有石墨剝裂、化學(xué)氧化還原法、超聲剝離法等。然而這些方法制備出的石墨烯的形狀基本上都是不規(guī)則的，且層數(shù)無(wú)法控制，而利用化學(xué)氧化還原法制備的石墨烯容易發(fā)生團(tuán)聚，使其比表面積大大減小。
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供一種石墨烯制備方法，解決現(xiàn)有石墨烯制備方法中所制備的石墨烯比表面積小的技術(shù)問(wèn)題；及所制備的石墨烯及應(yīng)用。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種石墨烯制備方法，包括如下步驟:將起催化作用的襯底放入反應(yīng)室中，抽真空；將該襯底的溫度 調(diào)整至500°C 1300°C，通入惰性的氣體，保持I分鐘 60分鐘，
使反應(yīng)室中保持無(wú)氧氣氛；調(diào)整該反應(yīng)室內(nèi)熱絲溫度為1000°C 1500°C ；向該反應(yīng)室內(nèi)通入IOsccm 200sccm的有機(jī)氣體進(jìn)行反應(yīng)I 300分鐘，同時(shí)調(diào)整該惰性的氣體的通入速度按IOsccm/分鐘 50sccm/分鐘變化,得到石墨烯。以及，—種石墨烯,該石墨烯采用如下步驟制得:將起催化作用的襯底放入反應(yīng)室中，抽真空；將該襯底的溫度調(diào)整至500°C 1300°C，通入惰性的氣體，保持I分鐘 60分鐘，
使反應(yīng)室中保持無(wú)氧氣氛；調(diào)整該反應(yīng)室內(nèi)熱絲溫度為1000°C 1500°C ；向該反應(yīng)室中通入IOsccm 200sccm的有機(jī)氣體進(jìn)行反應(yīng)I 300分鐘，同時(shí)調(diào)整該惰性的氣體的通入速度按IOsccm/分鐘 50sccm/分鐘變化,得到該石墨烯。本發(fā)明進(jìn)一步提供上述石墨烯在效應(yīng)晶體管、電極材料、液晶顯示材料或傳感器中的應(yīng)用。本發(fā)明石墨烯制備方法，通過(guò)制備石墨烯步驟中改變惰性的氣體的通入速度，使得所制備的石墨烯比表面積大大提升。本發(fā)明石墨烯，具有較大的比表皺褶和空洞，具有較大的表面積。
圖1是本發(fā)明實(shí)施例石墨烯制備方法流程圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例所制備的石墨烯SEM圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。請(qǐng)參閱圖1，圖1顯示本發(fā)明實(shí)施例石墨烯制備方法流程圖，包括如下步驟:步驟SOl，將反應(yīng)室抽真空:將起催化作用的襯底放入反應(yīng)室中，抽真空；步驟S02，向反應(yīng)室通入惰性的氣體:將該襯底的溫度調(diào)整至500°C 1300°C，通入惰性的氣體，保持I分鐘 60分鐘，使反應(yīng)室中保持無(wú)氧氣氛；步驟S03，調(diào)整熱絲溫度:調(diào)整該反應(yīng)室內(nèi)熱絲溫度為1000°C 1500°C ；步驟S04，制備石墨烯
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向該反應(yīng)室中通入IOsccm 200sccm的有機(jī)氣體進(jìn)行反應(yīng)I 300分鐘，同時(shí)調(diào)整所述惰性的氣體的通入速度按IOsccm/分鐘 50sccm/分鐘變化,得到石墨烯。上述實(shí)施例石墨烯制備方法所使用的設(shè)備為化學(xué)氣相沉積裝置，該化學(xué)氣相沉積裝置內(nèi)設(shè)置有熱絲加熱器，該熱絲加熱器的功率在5KW以上，熱絲具體可為:鉭絲、鎢絲、鑰絲等，溫度可從室溫至2200°C調(diào)節(jié)，具體沒(méi)有限制。該襯底沒(méi)有限制，例如，銅箔、鐵箔或鎳猜等。具體地，步驟SOl中，將襯底放入化學(xué)氣相沉積裝置的反應(yīng)室中，依次通過(guò)機(jī)械泵、羅茨泵及分子泵抽真空，逐級(jí)將反應(yīng)室的真空度降低至KT3Pa以下，維持該真空度I 30分鐘。該襯底既是石墨烯生長(zhǎng)的支撐材料，還是石墨烯制備的催化劑，無(wú)需額外制備催化齊U，簡(jiǎn)化生長(zhǎng)工藝，且反應(yīng)完成后石墨烯表面不會(huì)帶上金屬顆粒，無(wú)需進(jìn)行后續(xù)提純。具體地，步驟S02中，關(guān)閉分子泵并加熱，將襯底溫度調(diào)整至500°C 1300°C，溫度達(dá)到后，向反應(yīng)室中氣流量為IOsccm 200sccm的惰性的氣體；該惰性的氣體沒(méi)有限制，例如，氮?dú)?、氦氣、氬氣、氫氣等，保持I分鐘 60分鐘,使反應(yīng)室中保持無(wú)氧氣氛。步驟S03中，開啟化學(xué)氣相沉積裝置內(nèi)熱絲電源，將熱絲的電壓調(diào)整至40V 50V，電流調(diào)整至30A 35A，使得熱絲的溫度達(dá)到1000°C 1500°C。通過(guò)調(diào)整至上述溫度，使得步驟S04中通入的有機(jī)氣體發(fā)生裂解，生成石墨烯。步驟S04中，維持熱絲的溫度，向反應(yīng)室中通入有機(jī)氣體，該有機(jī)氣體沒(méi)有限制，例如甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、氣化乙醇、氣化甲醇或丙烯等；該有機(jī)氣體的氣流量為IOsccm 200sccm。通入有機(jī)氣體的同時(shí),改變惰性的氣體的通入速度,使惰性的氣體的通入速度按IOsccm/分鐘 50sCCm/分鐘變化，該變化包括遞增和遞減，例如，如果惰性的氣體第一分鐘通入速度為IOsccm/分鐘，使其通入速度按IOsccm/分鐘遞增，那么，第二分鐘的通入速度則為20sccm/分鐘,第三分鐘的通入速度為30sccm/分鐘；又如,如果惰性的氣體第一分鐘通入速度為30sccm/分鐘，如果按20sccm/分鐘遞增,那么,第二分鐘通入速度為50sccm/分鐘，第三分鐘的通入速度為70sccm/分鐘。本步驟反應(yīng)時(shí)間為I 300分鐘。通過(guò)改變還原氣體的通入速度，使有機(jī)氣體在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)的量發(fā)生變化，從而改變有機(jī)氣體裂解形成的甲基的濃度，使生成的石墨烯的沉積速度不斷變化，從而使沉積在襯底的石墨烯生長(zhǎng)速度不一致而產(chǎn)生皺褶和微孔，實(shí)現(xiàn)石墨烯比表面積的顯著增加。有機(jī)氣體反應(yīng)結(jié)束后，停止通入惰性的氣體和有機(jī)氣體，停止加熱，關(guān)閉熱絲電源，將體系溫度降低至室溫，將襯底取出；將含有石墨烯的襯底放入濃度為0.0lmol/L lmol/L的稀酸溶液(如鹽酸、硫酸、硝酸等或其組合)中浸泡0.1 24小時(shí)，去除雜質(zhì)，然后用去尚子水洗凈，烘干。本發(fā)明實(shí)施例還提供一種石墨烯，通過(guò)上述方法制備得到。具體地，該石墨烯制備方法，步驟如下:將起催化作用的襯底放入反應(yīng)室中，抽真空；將該襯底的溫度調(diào)整至500°C 1300°C，通入惰性的氣體，保持I分鐘 60分鐘，
使反應(yīng)室中保持無(wú)氧氣氛；調(diào)整該反應(yīng)室內(nèi)熱絲溫度為1000°C 1500°C ；向該反應(yīng)室 中通入IOsccm 200sccm的有機(jī)氣體進(jìn)行反應(yīng)I 300分鐘，同時(shí)調(diào)整該惰性的氣體的通入速度按IOsccm/分鐘 50sccm/分鐘變化,得到該石墨烯。本發(fā)明實(shí)施例石墨烯，通過(guò)采用上述方法制備，具有較大的比表皺褶和空洞，具有較大的表面積。本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)一步提供上述石墨烯制備方法所制備的石墨烯在效應(yīng)晶體管、電極材料、液晶顯示材料或傳感器中的應(yīng)用。以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)上述石墨烯制備方法進(jìn)行詳細(xì)闡述。實(shí)施例一本發(fā)明實(shí)施例石墨烯制備方法，包括如下步驟:1.將銅箔放到反應(yīng)室，并密封反應(yīng)室，采用機(jī)械泵，羅茨泵及分子泵逐級(jí)將反應(yīng)室抽至2.0XlO^4Pa,并保持20分鐘；2.關(guān)閉分子泵，開始加熱,將襯底溫度調(diào)整至500°C，通入氫氣lOOsccm，保持10分鐘；3.打開功率為5KW的熱絲，將熱絲的電壓調(diào)整至43V，電流調(diào)整至32A，使熱絲溫度調(diào)整至1200°C，保持8分鐘；4.通入甲烷lOOsccm，同時(shí)使氫氣流量隨時(shí)間以30sccm/min的速度變化，流量控制在200sccm,反應(yīng)100分鐘，生成石墨烯；5.停止加熱，關(guān)閉熱絲電源，將體系溫度降低至室溫，將襯底取出。本發(fā)明實(shí)施例所制備的石墨烯經(jīng)過(guò)氮吸附/BET法檢測(cè)，石墨烯的比表面積高達(dá)1840m2/g。圖2為實(shí)施例1制備的石墨烯的SEM圖片，從圖中可以看出，石墨烯表面呈現(xiàn)出褶皺形貌，厚度約為I 2nm,長(zhǎng)度約為0.5 5um,同時(shí)說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例石墨烯制備方法，制備出品質(zhì)優(yōu)越的石墨稀。實(shí)施例二
本發(fā)明實(shí)施例石墨烯制備方法，包括如下步驟:1.將鐵箔放到反應(yīng)室，并密封反應(yīng)室，采用機(jī)械泵，羅茨泵及分子泵逐級(jí)將反應(yīng)室抽至5.0X l(T4Pa，并保持10分鐘；2.關(guān)閉分子泵，開始加熱，將襯底溫度調(diào)整至800°C，通入氮?dú)?0sccm，保持40分鐘；3.打開功率為5KW的熱絲，將熱絲的電壓調(diào)整至40V，電流調(diào)整至30A，使熱絲溫度調(diào)整至1100°c ；4.通入乙炔IOsccm,同時(shí)使一氧化碳流量隨時(shí)間以10sccm/min的速度遞增,流量控制在lOOsccm,反應(yīng)300分鐘，生成石墨烯；5.停止加熱，關(guān)閉熱絲電源，將體系溫度降低至室溫，將襯底取出。本發(fā)明實(shí)施例所制備的石墨烯經(jīng)過(guò)氮吸附/BET法檢測(cè)，石墨烯的比表面積高達(dá)2300m2/g。實(shí)施例三本發(fā)明實(shí)施例石墨烯制備方法，包括如下步驟:1.將鎳箔放到反應(yīng)室，并密封反應(yīng)室，采用機(jī)械泵，羅茨泵及分子泵逐級(jí)將反應(yīng)室抽至1.0X l(T3pa，并保持I分鐘；2.關(guān)閉分子泵，開始加熱，將襯底溫度調(diào)整至1100°C，通入氦氣lOsccm，保持60分鐘；3.打開功率為5KW的熱絲，將熱絲的電壓調(diào)整至47V，電流調(diào)整至34A，使熱絲溫度調(diào)整至1300°C ；4.通入丙燒50sccm,同時(shí)使一氧化碳流量隨時(shí)間以20sccm/min的速度遞增,流量控制在50sccm,反應(yīng)200分鐘,生成石墨烯；5.停止加熱，關(guān)閉熱絲電源，將體系溫度降低至室溫，將襯底取出；將含有石墨烯的襯底放入濃度為lmol/L的硫酸中浸泡0.1小時(shí)，去除雜質(zhì)，然后用去離子水洗凈，烘干。本發(fā)明實(shí)施例所制備的石墨烯經(jīng)過(guò)氮吸附/BET法檢測(cè)，石墨烯的比表面積高達(dá)900m2/g。實(shí)施例四本發(fā)明實(shí)施例石墨烯制備方法，包括如下步驟:
1.將鎳箔放到反應(yīng)室，并密封反應(yīng)室，采用機(jī)械泵，羅茨泵及分子泵逐級(jí)將反應(yīng)室抽至1.0X 10_5Pa，并保持30分鐘；2.關(guān)閉分子泵，開始加熱，將襯底溫度調(diào)整至1300°C，通入氮?dú)?00sccm，保持10分鐘；3.打開功率為5KW的熱絲，將熱絲的電壓調(diào)整至50V，電流調(diào)整至35A，使熱絲溫度調(diào)整至1500°C ；4.通入氣化乙醇200sccm,同時(shí)使氮?dú)饬髁侩S時(shí)間以20sccm/min的速度遞減,流量控制在IOsccm,反應(yīng)I分鐘,生成石墨烯；5.停止加熱，關(guān)閉熱絲電源，將體系溫度降低至室溫，將襯底取出。本發(fā)明實(shí)施例所制備的石墨烯經(jīng)過(guò)氮吸附/BET法檢測(cè)，石墨烯的比表面積高達(dá)1320m2/g。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種石墨烯制備方法，包括如下步驟: 將起催化作用的襯底放入反應(yīng)室中，抽真空； 將所述襯底的溫度調(diào)整至500°C 1300°C，通入惰性的氣體，保持I分鐘 60分鐘，使反應(yīng)室中保持無(wú)氧氣氛； 調(diào)整所述反應(yīng)室內(nèi)熱絲溫度為1000°C 1500°C ； 向所述反應(yīng)室中通入IOsccm 200sccm的有機(jī)氣體進(jìn)行反應(yīng)I 300分鐘，同時(shí)調(diào)整所述惰性的氣體的通入速度按IOsccm/分鐘 50sccm/分鐘變化,得到所述石墨烯。
2.如權(quán)利要求1所述的石墨烯制備方法，其特征在于，所述抽真空步驟中，將反應(yīng)室真空度調(diào)整至10_3Pa以下，并在所述真空度下保持I分鐘 30分鐘。
3.如權(quán)利要求2所述的石墨烯制備方法，其特征在于，所述惰性的氣體選自氫氣、氦氣、氮?dú)狻輾?、氖氣中的至少一種。
4.如權(quán)利要求3所述的石墨烯制備方法，其特征在于，所述惰性的氣體的氣流量為IOsccm 200sccmo
5.如權(quán)利要求4所述的石墨烯制備方法，其特征在于，所述調(diào)整反應(yīng)室內(nèi)熱絲溫度步驟為: 開啟反應(yīng)室內(nèi)熱絲電源，電壓為40V 50V，電流為30A 35A。
6.如權(quán)利要求5所述的石墨烯制備方法，其特征在于，調(diào)整反應(yīng)室內(nèi)熱絲溫度后，保持I分鐘 10分鐘。
7.如權(quán)利要求6所述的石墨烯制備方法，其特征在于，所述有機(jī)氣體選自甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、丙烯中的至少一種。
8.如權(quán)利要求7所述的石墨烯制備方法，其特征在于，所述金屬薄片選自銅箔、鎳箔、鈷箔或者鋁箔。
9.一種石墨烯，其特征在于，所述石墨烯采用如下步驟制得: 將起催化作用的襯底放入反應(yīng)室中，抽真空； 將所述襯底的溫度調(diào)整至500°C 1300°C，通入惰性的氣體，保持I分鐘 60分鐘，使反應(yīng)室中保持無(wú)氧氣氛； 調(diào)整所述反應(yīng)室內(nèi)熱絲溫度為1000°C 1500°C ； 向所述反應(yīng)室中通入IOsccm 200sccm的有機(jī)氣體進(jìn)行反應(yīng)I 300分鐘，同時(shí)調(diào)整所述惰性的氣體的通入速度按IOsccm/分鐘 50sccm/分鐘變化,得到所述石墨烯。
10.如權(quán)利要求9所述的石墨烯在效應(yīng)晶體管、電極材料、液晶顯示材料或傳感器中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明適用于新材料技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種石墨烯制備方法及應(yīng)用。該石墨烯制備方法包括將反應(yīng)室抽真空；向反應(yīng)室通入惰性的氣體；調(diào)整熱絲溫度及制備石墨烯等步驟。本發(fā)明石墨烯制備方法，通過(guò)制備石墨烯步驟中改變惰性的氣體的通入速度，使得所制備的石墨烯比表面積大大提升。
文檔編號(hào)C01B31/04GK103101906SQ20111036109
公開日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者周明杰, 袁新生, 王要兵 申請(qǐng)人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術(shù)有限公司