一种石墨烯及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种石墨烯的制备方法，该方法是将纳米级的金属和/或金属氧化物催化剂粘附于可旋转的反应沉积部件上，通入可分解为碳和氢气的碳源，使碳源在纳米级催化剂的作用下裂解生成石墨烯，由于反应沉积部件可以旋转，碳源可与催化剂实现三维、动态的接触，可沉积的石墨烯的数目较多，另外，纳米级的催化剂对碳源的催化效率更高，可有效实现厚度均匀、层数可控的高质量石墨烯的制备。该方法工艺简单，解决了现有化学气相沉积技术中催化剂静止放置而石墨烯沉积数目少、催化剂尺寸较大而催化效率不高的问题。本发明专利技术还提供了一种石墨烯，所述石墨烯的层与层之间弯曲形成中空的布袋状，该结构的石墨烯具有良好的储氢、储锂功能。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯及其制备方法
本专利技术涉及石墨烯制备
，特别是涉及一种石墨烯及其制备方法。
技术介绍
石墨烯是由碳六元环组成的二维周期蜂窝状点阵结构，它是构建其他维数碳基材料的基本单元，石墨烯独特的晶体结构使其具有优异的光、电、力学性能，因此在场发射材料、气体传感器、能量储存等领域获得广泛应用。目前制备石墨烯的方法主要有石墨剥裂、化学氧化还原法、超声剥离法等。然而这些方法制备出的石墨烯的形状基本上都是不规则的，层数不定，形貌难于控制。除此之外，化学气相沉积(CVD)可以在常压、低真空环境下制备大批量的石墨烯而成为了制备石墨烯的重要途径。然而传统的CVD制备石墨烯通常是将金属箔(同时也是催化剂)或带有金属催化剂的衬底放置于反应器中，在其表面高温分解含碳化合物，由于所用催化剂的尺寸较大，催化效果不够好，另外，由于衬底是静置不动且二维平面基底的面积是一定的，限制了可沉积的石墨烯的数目，要有效实现厚度均匀、层数可控的高质量石墨烯的制备仍然是CVD可控制备中的重大挑战。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术旨在提供一种石墨烯及其制备方法，该方法是将纳米级的催化剂粘附于可旋转的反应沉积部件上，再通入碳源，可有效实现沉积数目多、厚度均匀、层数可控的高质量石墨烯的制备。该方法工艺简单，解决了现有CVD沉积技术中催化剂静止放置而石墨烯沉积数目少、催化剂尺寸较大而催化效率不高的问题。本专利技术还提供了一种石墨烯，所述石墨烯为中空的布袋状，该结构可使石墨烯具有良好的储氢、储锂功能。第一方面，本专利技术提供了一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：(1)取纳米金属粉末和纳米金属氧化物粉末中的至少一种作为纳米催化剂负载于反应沉积部件表面；(2)将所述反应沉积部件放入化学气相沉积反应器的腔体中并与所述腔体内壁连接，所述反应沉积部件用于在旋转的状态下沉积反应生成的石墨烯；(3)向所述化学气相沉积反应器的腔体中通入保护气体，加热所述反应沉积部件，同时给所述反应沉积部件施加驱动力使所述反应沉积部件以10-200r/min的转速旋转，所述旋转过程中所述反应沉积部件的旋转面与所述反应沉积部件的长度方向垂直，将反应体系的温度升温至200-300℃；(4)在所述保护气体气氛下，向所述腔体中通入碳源，所述碳源的流量为50-300sccm，继续加热所述反应沉积部件至所述反应体系的温度为400-800℃，恒温10-30min；(5)停止通入碳源，在保持保护气体通入的情况下，将反应体系的温度降温至室温，得到石墨烯。优选地，所述石墨烯的制备方法，还包括如下对石墨烯的纯化操作：收集反应沉积部件上的石墨烯，采用质量浓度为5-50％的酸溶液去除石墨烯表面的催化剂，对石墨烯进行干燥处理后，在通入CO2气体下去除石墨烯表面的无定形碳，得到纯化后的石墨烯，其中，所述酸溶液为硝酸、盐酸、硫酸和氢氟酸中的一种或多种。如本专利技术所述的，所述酸溶液可以除去石墨烯表面的少量催化剂。如本专利技术所述的，通入CO2气体，可利用CO2氧化石墨烯表面的无定形碳，C+CO2＝2CO，得到纯化后的石墨烯。优选地，步骤(1)中，所述纳米催化剂是通过高温粘结剂(如环氧树脂、铝硅酸盐等)均匀粘附于所述反应沉积部件表面。优选地，所述反应沉积部件为圆柱形。优选地，步骤(1)中，所述反应沉积部件的材质是碳化钨或镍基高温合金。如本专利技术所述的，所述反应沉积部件的熔点高、导热性好。优选地，所述反应沉积部件的内部设置有电阻丝，所述加热为对所述反应沉积部件通电使所述反应沉积部件发热。普通的化学气相沉积反应器中，加热电阻丝位于反应器腔体的外部，热量由外到内传导反应器腔体内，加热进程较慢，浪费了能源；另外，催化剂是固定的(或者位于固定的衬底上)，大部分碳源会从催化剂或衬底的上表面流失，这样会导致未接触到催化剂的碳源的浪费，降低了石墨烯的产率。如本专利技术所述的，所述反应沉积部件的内部设置有电阻丝，可实现对反应沉积部件的直接加热。反应沉积部件受热后可直接将热量传递到纳米催化剂表面，待温度达到碳源的裂解温度后，碳源开始裂解，石墨烯开始生长；本专利技术中所述催化剂是360°分布在所述反应沉积部件上，可实现催化剂和碳源的充分接触，提高石墨烯的制备产率，同时节约了热源，缩减了反应时间。优选地，将所述反应沉积部件放入化学气相沉积反应器的腔体的中央。优选地，所述反应沉积部件的长度方向与所述碳源的通入方向垂直。可以增大与碳源的接触面积。优选地，所述旋转为通过对所述反应沉积部件施加电流或手动转动使所述反应沉积部件旋转。优选地，所述化学气相沉积反应器的腔体的外部还设置有控制面板，所述控制面板通过所述数据传输线与所述腔体相连接，所述控制面板包括温控模块和旋转控制模块，所述旋转控制模块用于控制所述反应沉积部件的旋转，所述温控模块用于控制所述反应沉积部件的升温、降温。如本专利技术所述的，所述控制面板上显示反应体系的温度、转速。优选地，所述腔体3的内壁顶端还设置有温度传感器31，所述温度传感器31通过数据传输线32与控制面板上的41温控模块相连接。更优选地，所述温度传感器通过螺丝与腔体3相连接。优选地，步骤(1)中，所述纳米催化剂为Si，Al，Ni，Cu，Ag，Co，Fe，Mg，Ti，V，Y，Ga，In，Sn和Mo中的一种或多种金属或金属氧化物。，更优选地，所述纳米催化剂为Cu、Ag、MgO、MoO3、NiO、SnO2、Fe3O4和TiO2中的一种或多种。如本专利技术所述的，所述催化剂为纳米级，纳米催化剂的比表面积较大，使得分子接触发生碰撞的几率增加，活性高，可提高催化效率，反应所需要的温度也较低，同时还可以减少催化剂的用量、降低能耗。优选地，步骤(3)中，所述反应沉积部件的旋转速度为50-150r/min。优选地，步骤(3)中，所述升温的升温速率为10-50℃/min。更优选地，步骤(3)中，所述升温的升温速率为10-30℃/min。优选地，步骤(3)中，所述保护气体为N2和Ar的一种或多种。优选地，步骤(3)中，所述保护气体的流量为50-500sccm。更优选地，步骤(3)中，所述保护气体的流量为200-400sccm。优选地，步骤(4)中，所述碳源为甲醇、乙醇、丙醇、乙烯、丙烯、乙炔和丙炔中的一种或多种。如本专利技术所述的是，所述碳源即可分解为碳又可分解为氢气，在制备过程中无需再通入还原性气体(如氢气等)，节省成本，简化了工艺。优选地，步骤(5)中，所述降温的降温速率为10-50℃/min。优选地，步骤(5)中，所述保护气体为N2和Ar的一种或多种。优选地，步骤(5)中，所述保护气体的通入流量为50-500sccm。更优选地，步骤(5)中，所述保护气体的通入流量为200-400sccm。优选地，所述石墨烯的层与层之间弯曲形成中空的布袋状，所述石墨烯的片层尺寸为0.5-50μm，所述石墨烯的厚度为0.3-5nm。优选地，所述石墨烯的层数为1-10层。本专利技术是将纳米级的催化剂粘附于可旋转的反应沉积部件(转速为10-200r/min)上，通入可分解为碳和氢气的碳源，所述纳米催化剂是360°负载于所述反应沉积部件上，由于反应沉积部件可以旋转，碳源可以实现在三维空间内与催化剂接触，增大了碳源与催化剂的接触面积，在一定温度下，碳源在纳米级催化剂的作用下裂解生成石墨烯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)取纳米金属粉末和纳米金属氧化物粉末中的至少一种作为纳米催化剂负载于反应沉积部件表面；(2)将所述反应沉积部件放入化学气相沉积反应器的腔体中并与所述腔体内壁连接，所述反应沉积部件用于在旋转的状态下沉积反应生成的石墨烯；(3)向所述化学气相沉积反应器的腔体中通入保护气体，加热所述反应沉积部件，同时给所述反应沉积部件施加驱动力使所述反应沉积部件以10‑200r/min的转速旋转，所述旋转过程中所述反应沉积部件的旋转面与所述反应沉积部件的长度方向垂直，将反应体系的温度升温至200‑300℃；(4)在所述保护气体气氛下，向所述腔体中通入碳源，所述碳源的流量为50‑300sccm，继续加热所述反应沉积部件至所述反应体系的温度为400‑800℃，恒温10‑30min；(5)停止通入碳源，在保持保护气体通入的情况下，将反应体系的温度降温至室温，得到石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)取纳米金属粉末和纳米金属氧化物粉末中的至少一种作为纳米催化剂负载于反应沉积部件表面；(2)将所述反应沉积部件放入化学气相沉积反应器的腔体中并与所述腔体内壁连接，所述反应沉积部件用于在旋转的状态下沉积反应生成的石墨烯；(3)向所述化学气相沉积反应器的腔体中通入保护气体，加热所述反应沉积部件，同时给所述反应沉积部件施加驱动力使所述反应沉积部件以10-200r/min的转速旋转，所述旋转过程中所述反应沉积部件的旋转面与所述反应沉积部件的长度方向垂直，将反应体系的温度升温至200-300℃；(4)在所述保护气体气氛下，向所述腔体中通入碳源，所述碳源的流量为50-300sccm，继续加热所述反应沉积部件至所述反应体系的温度为400-800℃，恒温10-30min；(5)停止通入碳源，在保持保护气体通入的情况下，将反应体系的温度降温至室温，得到石墨烯。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括如下对石墨烯的纯化操作：收集所述石墨烯，采用质量浓度为5-50％的酸溶液去除所述石墨烯表面的纳米催化剂，对所述石墨烯进行干燥处理后，通入CO2气体去除无定形碳，得到纯化后的石墨烯，其中，所述酸溶液为硝酸、盐酸、硫酸和氢氟酸中的一种或多种。3.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔令涌，尚伟丽，方东升，
申请(专利权)人：深圳市德方纳米科技股份有限公司，佛山市德方纳米科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44