一種石墨烯及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石墨稀制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種石墨稀及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是由碳六元環(huán)組成的二維周期蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，它是構(gòu)建其他維數(shù)碳基材料的基本單元，石墨烯獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的光、電、力學(xué)性能，因此在場發(fā)射材料、氣體傳感器、能量儲(chǔ)存等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。
[0003]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，層數(shù)不定，形貌難于控制。除此之外，化學(xué)氣相沉積(CVD)可以在常壓、低真空環(huán)境下制備大批量的石墨烯而成為了制備石墨烯的重要途徑。然而傳統(tǒng)的CVD制備石墨烯通常是將金屬箔(同時(shí)也是催化劑)或帶有金屬催化劑的襯底放置于反應(yīng)器中，在其表面高溫分解含碳化合物，由于所用催化劑的尺寸較大，催化效果不夠好，另外，由于襯底是靜置不動(dòng)且二維平面基底的面積是一定的，限制了可沉積的石墨烯的數(shù)目，要有效實(shí)現(xiàn)厚度均勻、層數(shù)可控的高質(zhì)量石墨烯的制備仍然是CVD可控制備中的重大挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述問題，本發(fā)明旨在提供一種石墨烯及其制備方法，該方法是將納米級(jí)的催化劑粘附于可旋轉(zhuǎn)的反應(yīng)沉積部件上，再通入碳源，可有效實(shí)現(xiàn)沉積數(shù)目多、厚度均勻、層數(shù)可控的高質(zhì)量石墨烯的制備。該方法工藝簡單，解決了現(xiàn)有CVD沉積技術(shù)中催化劑靜止放置而石墨烯沉積數(shù)目少、催化劑尺寸較大而催化效率不高的問題。本發(fā)明還提供了一種石墨烯，所述石墨烯為中空的布袋狀，該結(jié)構(gòu)可使石墨烯具有良好的儲(chǔ)氫、儲(chǔ)鋰功能。
[0005]第一方面，本發(fā)明提供了一種石墨烯的制備方法，包括以下步驟:
[0006](I)取納米金屬粉末和納米金屬氧化物粉末中的至少一種作為納米催化劑負(fù)載于反應(yīng)沉積部件表面；
[0007](2)將所述反應(yīng)沉積部件放入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器的腔體中并與所述腔體內(nèi)壁連接，所述反應(yīng)沉積部件用于在旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下沉積反應(yīng)生成的石墨烯；
[0008](3)向所述化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器的腔體中通入保護(hù)氣體，加熱所述反應(yīng)沉積部件，同時(shí)給所述反應(yīng)沉積部件施加驅(qū)動(dòng)力使所述反應(yīng)沉積部件以10-200r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，所述旋轉(zhuǎn)過程中所述反應(yīng)沉積部件的旋轉(zhuǎn)面與所述反應(yīng)沉積部件的長度方向垂直，將反應(yīng)體系的溫度升溫至200-300°C ；
[0009](4)在所述保護(hù)氣體氣氛下，向所述腔體中通入碳源，所述碳源的流量為50-300sccm,繼續(xù)加熱所述反應(yīng)沉積部件至所述反應(yīng)體系的溫度為400-800 °C，恒溫10_30min ；
[0010](5)停止通入碳源，在保持保護(hù)氣體通入的情況下，將反應(yīng)體系的溫度降溫至室溫，得到石墨烯。
[0011]優(yōu)選地，所述石墨烯的制備方法，還包括如下對(duì)石墨烯的純化操作:
[0012]收集反應(yīng)沉積部件上的石墨烯，采用質(zhì)量濃度為5-50%的酸溶液去除石墨烯表面的催化劑，對(duì)石墨烯進(jìn)行干燥處理后，在通入0)2氣體下去除石墨烯表面的無定形碳，得到純化后的石墨烯，其中，所述酸溶液為硝酸、鹽酸、硫酸和氫氟酸中的一種或多種。
[0013]如本發(fā)明所述的，所述酸溶液可以除去石墨烯表面的少量催化劑。
[0014]如本發(fā)明所述的，通入CO2氣體，可利用CO 2氧化石墨稀表面的無定形碳，C+C0 2 =2C0，得到純化后的石墨烯。
[0015]優(yōu)選地，步驟(I)中，所述納米催化劑是通過高溫粘結(jié)劑(如環(huán)氧樹脂、鋁硅酸鹽等)均勻粘附于所述反應(yīng)沉積部件表面。
[0016]優(yōu)選地，所述反應(yīng)沉積部件為圓柱形。
[0017]優(yōu)選地，步驟(I)中，所述反應(yīng)沉積部件的材質(zhì)是碳化鎢或鎳基高溫合金。
[0018]如本發(fā)明所述的，所述反應(yīng)沉積部件的熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性好。
[0019]優(yōu)選地，所述反應(yīng)沉積部件的內(nèi)部設(shè)置有電阻絲，所述加熱為對(duì)所述反應(yīng)沉積部件通電使所述反應(yīng)沉積部件發(fā)熱。
[0020]普通的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器中，加熱電阻絲位于反應(yīng)器腔體的外部，熱量由外到內(nèi)傳導(dǎo)反應(yīng)器腔體內(nèi)，加熱進(jìn)程較慢，浪費(fèi)了能源；另外，催化劑是固定的(或者位于固定的襯底上)，大部分碳源會(huì)從催化劑或襯底的上表面流失，這樣會(huì)導(dǎo)致未接觸到催化劑的碳源的浪費(fèi)，降低了石墨烯的產(chǎn)率。
[0021]如本發(fā)明所述的，所述反應(yīng)沉積部件的內(nèi)部設(shè)置有電阻絲，可實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)沉積部件的直接加熱。反應(yīng)沉積部件受熱后可直接將熱量傳遞到納米催化劑表面，待溫度達(dá)到碳源的裂解溫度后，碳源開始裂解，石墨烯開始生長；本發(fā)明中所述催化劑是360°分布在所述反應(yīng)沉積部件上，可實(shí)現(xiàn)催化劑和碳源的充分接觸，提高石墨烯的制備產(chǎn)率，同時(shí)節(jié)約了熱源，縮減了反應(yīng)時(shí)間。
[0022]優(yōu)選地，將所述反應(yīng)沉積部件放入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器的腔體的中央。
[0023]優(yōu)選地，所述反應(yīng)沉積部件的長度方向與所述碳源的通入方向垂直?？梢栽龃笈c碳源的接觸面積。
[0024]優(yōu)選地，所述旋轉(zhuǎn)為通過對(duì)所述反應(yīng)沉積部件施加電流或手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)使所述反應(yīng)沉積部件旋轉(zhuǎn)。
[0025]優(yōu)選地，所述化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器的腔體的外部還設(shè)置有控制面板，所述控制面板通過所述數(shù)據(jù)傳輸線與所述腔體相連接，所述控制面板包括溫控模塊和旋轉(zhuǎn)控制模塊，所述旋轉(zhuǎn)控制模塊用于控制所述反應(yīng)沉積部件的旋轉(zhuǎn)，所述溫控模塊用于控制所述反應(yīng)沉積部件的升溫、降溫。
[0026]如本發(fā)明所述的，所述控制面板上顯示反應(yīng)體系的溫度、轉(zhuǎn)速。
[0027]優(yōu)選地，所述腔體3的內(nèi)壁頂端還設(shè)置有溫度傳感器31，所述溫度傳感器31通過數(shù)據(jù)傳輸線32與控制面板上的41溫控模塊相連接。
[0028]更優(yōu)選地，所述溫度傳感器通過螺絲與腔體3相連接。
[0029]優(yōu)選地，步驟(I)中，所述納米催化劑為Si，Al，Ni，Cu，Ag，Co，F(xiàn)e，Mg，Ti，V，Y，Ga，In，Sn和Mo中的一種或多種金屬或金屬氧化物。，
[0030]更優(yōu)選地，所述納米催化劑為Cu、Ag、MgO、Mo03、N1、Sn02、Fe304和T12中的一種或多種。
[0031]如本發(fā)明所述的，所述催化劑為納米級(jí)，納米催化劑的比表面積較大，使得分子接觸發(fā)生碰撞的幾率增加，活性高，可提高催化效率，反應(yīng)所需要的溫度也較低，同時(shí)還可以減少催化劑的用量、降低能耗。
[0032]優(yōu)選地，步驟(3)中，所述反應(yīng)沉積部件的旋轉(zhuǎn)速度為50_150r/min。
[0033]優(yōu)選地，步驟(3)中，所述升溫的升溫速率為10_50°C /min。
[0034]更優(yōu)選地，步驟(3)中，所述升溫的升溫速率為10_30°C /min。
[0035]優(yōu)選地，步驟(3)中，所述保護(hù)氣體為隊(duì)和Ar的一種或多種。
[0036]優(yōu)選地，步驟(3)中，所述保護(hù)氣體的流量為50-500sccm。
[0037]更優(yōu)選地，步驟(3)中，所述保護(hù)氣體的流量為200_400sccm。
[0038]優(yōu)選地，步驟(4)中，所述碳源為甲醇、乙醇、丙醇、乙烯、丙烯、乙炔和丙炔中的一種或多種。
[0039]如本發(fā)明所述的是，所述碳源即可分解為碳又可分解為氫氣，在制備過程中無需再通入還原性氣體(如氫氣等)，節(jié)省成本，簡化了工藝。
[0040]優(yōu)選地，步驟(5)中，所述降溫的降溫速率為10_50°C /min。
[0041]優(yōu)選地，步驟(5)中，所述保護(hù)氣體為隊(duì)和Ar的一種或多種。
[0042]優(yōu)選地，步驟(5)中，所述保護(hù)氣體的通入流量為50_500sccm。
[0043]更優(yōu)選地，步驟(5)中，所述保護(hù)氣體的通入流量為200_400sccm。
[0044]優(yōu)選地，所述石墨烯的層與層之間彎曲形成中空的布袋狀，所述石墨烯的片層尺寸為0.5-50 μ m，所述石墨稀的厚度為0.3_5nm。
[0045]優(yōu)選地，所述石墨稀的層數(shù)為1-10層。
[0046]本發(fā)明是將納米級(jí)的催化劑粘附于可旋轉(zhuǎn)的反應(yīng)沉積部件(轉(zhuǎn)速為10-2001./min)上，通入可分解為碳和氫氣的碳源，所述納米催化劑是360°負(fù)載于所述反應(yīng)沉積部件上，由于反應(yīng)沉積部件可以旋轉(zhuǎn)，碳源可以實(shí)現(xiàn)在三維空間內(nèi)與催化劑接觸，增大了