一種通過(guò)控制初始碳源厚度制備石墨烯的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種通過(guò)控制初始碳源厚度制備石墨烯的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是近年發(fā)現(xiàn)的二維碳原子晶體，是目前碳質(zhì)材料和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。石墨烯是構(gòu)筑零維富勒烯、一維碳納米管、三維體相石墨等SP2雜化碳的基本結(jié)構(gòu)單元。盡管石墨烯只有一個(gè)碳原子厚度，也是己知材料中最薄的一種，然而石墨烯卻非常牢固堅(jiān)硬。此外，碳原子有四個(gè)價(jià)電子，這樣每個(gè)碳原子都能貢獻(xiàn)出一個(gè)未成鍵的電子，這些31電子與平面成垂直的方向可形成31軌道，31電子則可在晶體中自由移動(dòng)，賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性。這些優(yōu)異的特性使石墨烯擁有十分廣闊的發(fā)展前景。
[0003]眾所周知，石墨烯的層數(shù)會(huì)影響力、熱、光、電性能，而控制石墨烯的層數(shù)也就十分至關(guān)重要。中國(guó)專利公開號(hào)103265021A中國(guó)科提供一種層數(shù)可控石墨烯的生長(zhǎng)方法，先制備Ni/Cu體系，并利用離子注入技術(shù)引入碳源，通過(guò)精確控制注入碳的劑量，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)石墨烯層數(shù)的調(diào)控。該發(fā)明獲得的石墨烯薄膜具有質(zhì)量好、大尺寸且層數(shù)可控的優(yōu)勢(shì)，且易于轉(zhuǎn)移。另外，離子注入技術(shù)、退火技術(shù)在目前半導(dǎo)體行業(yè)都是非常成熟的工藝，該發(fā)明的層數(shù)可控石墨烯的生長(zhǎng)方法將能更快地推動(dòng)石墨烯在半導(dǎo)體工業(yè)界的廣泛應(yīng)用。然而，該方法對(duì)于超級(jí)電容器、儲(chǔ)能電池石墨烯用量大的應(yīng)用而言，該方法成本太高，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。
[0004]中國(guó)專利公開號(hào)102492926A提供了一種局部單原子層石墨烯薄膜的制備方法，具體步驟為:第一步，將多層石墨烯薄膜置于載體臺(tái)上使待加工部分懸空，然后將載體臺(tái)放置于透射電子顯微鏡中；第二步，將多層石墨烯薄膜溫度升高到300-1300°C，利用電流密度大于I X 102A/cm2的會(huì)聚高能電子束福照待加工部分的多層石墨稀薄膜表面，并持續(xù)1-60分鐘，使得待加工部分的多層石墨烯薄膜的表層碳原子不斷被轟擊濺射，逐層剝離最終形成少數(shù)層甚至單層且高結(jié)晶性的石墨烯。石墨烯的厚度及單層石墨烯的面積通過(guò)調(diào)節(jié)電子束的束徑、電流密度及電子束輻照的時(shí)間來(lái)控制。該方法是使用電子束輻照剝離多層碳原子，獲得單層石墨烯，該方法是一種原子級(jí)別的操作，設(shè)備復(fù)雜，工藝難度大。
[0005]中國(guó)專利公開號(hào)104485310A提供一種形成石墨烯互連線的方法，其包括以下步驟:提供目標(biāo)襯底;接著在目標(biāo)襯底上形成均勻且厚度可控的碳源層;在碳源層上淀積金屬催化層;然后在預(yù)設(shè)溫度下采用退火工藝將淀積的碳源層轉(zhuǎn)化為石墨烯層；隨后去除金屬催化層;最后采用光刻和刻蝕工藝對(duì)石墨烯層圖案化，以形成石墨烯互連線。該發(fā)明提供的一種控制碳源層厚度的方法控制石墨烯的厚度，方法簡(jiǎn)單。然而，該方案中涉及的碳源層和金屬層沉積，整個(gè)過(guò)程相當(dāng)于讓碳原子重新排序獲得石墨烯，成本昂貴。
[0006]現(xiàn)在已有的方案存在成本高，工藝復(fù)雜，操作難度大的缺點(diǎn)。因此，目前還沒有一種成本低、環(huán)境友好的、高效率地控制石墨烯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決上述方法的不足和缺陷，本發(fā)明開發(fā)出一種通過(guò)控制初始碳源厚度制備石墨烯的方法。由于石墨烯量子點(diǎn)的單層碳原子在層內(nèi)沒有懸掛鍵，碳原子的懸掛鍵均在單層石墨邊緣。因此，當(dāng)高能碳原子在單層石墨表面擴(kuò)散時(shí)，會(huì)在邊緣停留，幫助石墨烯量子點(diǎn)邊緣生長(zhǎng)，獲得更大的石墨烯。所以，通過(guò)控制石墨烯量子點(diǎn)的層數(shù)，就可以控制最后石墨烯的厚度。所述方法采用石墨烯量子點(diǎn)作為生長(zhǎng)模板，將石墨烯量子點(diǎn)分散在糊化淀粉中，借助高溫高壓提供的高能量，分解碳素有機(jī)材料得到的碳原子排列到石墨層邊緣位置，生長(zhǎng)出更大的石墨烯片層。所述方法操作簡(jiǎn)單，通過(guò)控制初始石墨烯量子點(diǎn)的層數(shù)，可控獲得對(duì)應(yīng)層數(shù)的石墨烯量子點(diǎn)。
[0008]本發(fā)明提供一種通過(guò)控制初始碳源厚度制備石墨烯的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟:
a.將碳素有機(jī)材料與寡層石墨量子點(diǎn)按質(zhì)量比5-10:1混合，加入攪拌機(jī)，攪拌均勻，與去離子水混合，得到混合溶液，保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)；
b.在步驟a獲得的溶液中加入預(yù)糊化淀粉，預(yù)糊化淀粉的重量為去離子水的2-5倍，加入催化劑，攪拌均勻，得到碳素糊化混合物；
c.惰性氣體保護(hù)下，將步驟b獲得的碳素糊化混合物加入高溫高壓反應(yīng)釜，釜內(nèi)溫度為500-800°C，壓力為20-50 MPa，處理l_3h，獲得固體產(chǎn)物，該固體產(chǎn)物即為石墨烯預(yù)制粉；
d.將石墨烯預(yù)制粉放入二甲基甲酰胺液體中，超聲分離30-60分鐘，離心，取上層清液，獲得石墨烯。
[0009]其中，所述寡層石墨量子點(diǎn)為1-10個(gè)碳原子層厚度的，片徑在10nm以內(nèi)的石墨薄片。
[0010]可選的，根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過(guò)控制初始碳源厚度制備石墨烯的方法，其特征在于，所述碳素有機(jī)材料為淀粉類、纖維素、木質(zhì)素和無(wú)定形碳。
[0011]可選的，根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過(guò)控制初始碳源厚度制備石墨烯的方法，其特征在于，所述攪拌機(jī)攪拌速度為500-1500r/min。
[0012]可選的，根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過(guò)控制初始碳源厚度制備石墨烯的方法，其特征在于，所述惰性氣體為氮?dú)狻⒍趸?、氬氣、氦氣?br>[0013]可選的，根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過(guò)控制初始碳源厚度制備石墨烯的方法，其特征在于，所述石墨烯預(yù)制粉與二甲基甲酰胺液體的重量比例為1-3:10。
[0014]本申請(qǐng)實(shí)施例中的上述一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下一種或多種技術(shù)效果:
1、該種方法采用石墨烯量子點(diǎn)作為生長(zhǎng)模板，將石墨烯量子點(diǎn)分散在糊化淀粉中，借助高溫高壓提供的高能量，分解碳素有機(jī)材料得到的碳原子排列到石墨層邊緣位置，生長(zhǎng)出更大的石墨烯層片。再者，通過(guò)控制初始石墨烯量子點(diǎn)的層數(shù)，可控獲得對(duì)應(yīng)層數(shù)的石墨稀量子點(diǎn)。
[0015]2、該種方法采用的設(shè)備為常規(guī)納米制備工業(yè)設(shè)備，操作簡(jiǎn)單，產(chǎn)品質(zhì)量可控，成本低廉，適合大規(guī)模生產(chǎn)普及。
[0016]3、該種方法采用碳素有機(jī)材料作為碳源，取材廣泛，有利于降低生產(chǎn)成本，適用于工業(yè)生產(chǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0017]通過(guò)【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明的范圍僅限于以下的實(shí)例。在不脫離本發(fā)明上述方法思想的情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識(shí)和慣用手段做出的各種替換或變更，均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0018]實(shí)施例一
本實(shí)施例制備步驟如下:
取碳素有機(jī)材料小麥淀粉500g與寡層石墨量子點(diǎn)按質(zhì)量10g混合，寡層石墨量子點(diǎn)為I個(gè)碳原子層厚度的，片徑為20nm的石墨薄片。將上述混合物加入攪拌機(jī)，設(shè)置攪拌機(jī)攪拌速度為500r/min，攪拌均勻，加入IL去離子水，得到混合溶液，保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)。向上述溶液中加入2kg預(yù)糊化淀粉，加入催化劑，攪拌均勻，得到碳素糊化混合物。在惰性氣體氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將碳素糊化混合