我国是石墨烯研究和应用开发较多的国家,申请石墨烯专利数量占到了世界总量的1/3。石墨烯有着优良的性能和广泛的应用前景,近年来各国都较为关注石墨烯制备技术的发展。在众多的制备方法中,较为主流的方法有机械剥离法、氧化还原法、取向附生法、碳化硅外延法、化学气相沉淀法等。
一、机械剥离法
是利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动,制备石墨烯薄层材料的方法。这种方法操作简单,制得的石墨烯通常保持着完整的晶体结构。 虽然这种方法可以制备微米大小的石墨烯,但是其可控性较低,难以实现大规模合成。
二、氧化还原法
是目前较为常用的石墨烯制备方法,具体流程是使用硫酸、硝酸、高锰酸钾、双氧水等试剂将天然石墨氧化,增大石墨层之间的间距后插入氧化物,制得氧化石墨。然后将反应物进行水洗,低温干燥后制得氧化石墨粉体。在通过物理剥离、高温膨胀等方法对氧化石墨粉体进行剥离,制得氧化石墨烯后,再将氧化石墨烯还原为石墨烯。氧化还原法操作简单,产量高,但是成品质量较低。
三、取向附生法
是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯,首先让碳原子在1150℃下渗入钌,冷却至850℃后,之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面,最终镜片形状的单层的碳原子会长成完整的一层石墨烯。第一层覆盖后,第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的相互作用,而第二层后就几乎与钌完全分离,只剩下弱电耦合。此种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀,且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性。
四、碳化硅外延法
是在真空的高温环境下,使硅原子升华脱离材料,剩下的碳原子通过自组形式重构,从而制得基于碳化硅衬底的石墨烯。用这种方法可以制取高质量的石墨烯,但是对设备的要求较高。
五、化学气相沉淀法
化学气相沉淀法是使用含碳有机气体为原料进行气相沉积制得石墨烯薄膜的方法。具体流程为先将碳氢化合物甲烷、乙醇等通入到高温加热的金属基底铜、镍表面,反应持续一定时间后进行冷却,过程中基底表面便会形成数层或单层石墨烯。这种方法制备的石墨烯具有面积大、质量高等特点,但现阶段成本较高,工艺条件还需进一步完善。
除此之外,其他制备石墨烯的方法还有赫默法、碳纳米管切割法、石墨插层法、离子注入法、高温高压HPHT生长法、爆炸法以及有机合成法等。
目前,石墨烯的工业化生产还是一个较为棘手的问题,要想真正的实现石墨烯应用的产业化,我们须在制备方法上寻求突破。只有找到适合工业化生产的石墨烯制法,石墨烯的产业化才能正式到来。
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