石墨烯的几种制备方法


目前石墨烯制备方法主要包括化学气相沉积法、溶剂剥离法、氧化还原法、微机械剥离法、外延生长法、电弧法、有机合成法、电化学法等,具体如下所述。

  1. 化学气相沉积法(CVD)

所谓CVD法,指的是反应物质于气态条件下产生化学反应,进而在加热固态基体表生成固态物质,从而实现固体材料的制成的工艺技术 】。目前,以CVD法进行石墨烯制备时通过将碳氢化合物等含碳气体通入以镍为基片、管状的简易沉积炉中,通过高温将含碳气体

分解为碳原子使其沉积于镍的表面,进而形成石墨烯,再通过轻微化学刻蚀来使镍片与石墨烯薄膜分离,从而获得石墨烯薄膜。该薄膜处于透光率为80% 的状态下时其导电率便高达1.1×106S/m。通过CVD法可制备出大面积高质量石墨烯,但单晶镍价格则过于昂贵,该方法可满足高质量、规模化石墨烯的制备要求,但工艺复杂,成本高,使得该方法的广泛应用受到限制。

  1. 溶剂剥离法

该方法通过将少量石墨散于溶剂中,配制成低浓度分散液,而后使用超声波破坏石墨层间存在的范德华力,经过上述操作溶剂便可成功插入石墨层并进行逐层剥离,至此石墨烯制备完成。通过运用溶剂剥离法能够制备出优质石墨烯,且操作过程中不会损坏石墨烯的表面。这就为石墨烯广泛应用于微电子学、多功能复合材料等诸多领域成为可能。但该方法也存在一定缺陷,比如,产率不高,这就使得其广泛应用于商业领域受到较大限制。

  1. 氧化还原法

该方法由于制备成本较低且可进行规模化制备等优势而成为当前制备石墨烯最受欢迎的方法。该方法还可用于稳定石墨烯悬浮液的制定,有效对石墨烯难以分散这一问题加以解决。所谓氧化一还原法,其实质为使天然石墨、强酸及强氧化性等物质产生反应并生成氧化石墨,而后经超声分散即可完成氧化石墨烯的制备。待制备出氧化石墨烯后加入还原剂以去除,将其表面的含氧基团如羧基与环氧基还原去除,至此便成功制备出石墨烯。此方法自提出后,因其简单易行的制

备工艺已成为实验室中制备石墨烯最常用、最简便的方法。但此方法也存在缺陷,比如,若七元环、五元环等拓扑存在缺陷,抑或OH基团结构存在缺陷等则会使得石墨烯部分的电学性能遭到破坏,限制其应用。

  1. 微机械剥离法

Geim等于2004年首次使用微机械剥离法从高定向热裂解石墨中剥离出单层石墨烯,并对其二维晶体结构存在原因进行了揭示。Meyer等于2007年发现,单层石墨烯其表面存在一定高度褶皱,褶皱程度与石墨烯层数呈反比例。出现上述现象的原因可能是单层石墨烯

降低表面能而由二维形貌转向三维形貌,由此推测,其表面褶皱极可能是二维石墨烯存在必不可缺的条件,然而二维石墨烯其表面存在的褶皱在其性能中的影响仍有待研究。通过微机械剥离法能够制备出高质石墨烯,但也存在产率低、成本不足等缺陷,因此不符合业化、规模化的生产要求 。

  1. 电化学法

该方法通过将2个高纯石墨棒平行插入含离子液体水溶液中,将电压控制于10V一20V,半小时后阳极石墨棒便遭到腐蚀,而离子液体中的阳离子于阴极被还原并构成自由基,此类自由基与石墨烯片中存在的 电子相结合,至此离子液体功能化的石墨烯片形成,而后将电解槽中黑色沉淀物以无水乙醇加以洗涤,并于60摄氏度下干燥2个小时便可获得石墨烯,但此方法制备所得的石墨烯其片层较单原子层厚度更大。

  1. 电弧法

电弧法也可用于制备石墨烯,但需保持大电流、氢气氛围与高电压,使2个石墨电极尽量靠拢,当其靠拢到某种程度就会产生电弧放电。此时阴极附近可以收集到诸如CNTs、碳物质等,而石墨烯则可在反应室内壁获得。