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如何提取制备石墨烯?石墨烯制备方法介绍一览

目前石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、溶剂剥离法、气相沉积法(CVD法)、碳化硅外延生长法、氧化石墨烯还原法等。

石墨烯结构示意图

(1)机械剥离法

通过施加外力破坏石墨的层间范德华力,从而从石墨上直接撕拉下片层即成为石墨烯,或者将石墨与另一种固体进行摩擦也可以剥离出石墨烯。通过机械剥离这种方法法制备的石墨稀,晶体结构比较完整,物理性能相对优良。但是产量低、人力耗费大。不过此种方法首次证明单层石墨烯的稳定存在,成为 2010年诺贝尔物理学奖的获奖理由。虽然这种方法很难获得大量的石墨烯,但是它可谓是制备石墨烯众多方法中的鼻祖,而且还使得制备大面积石墨烯薄膜成为可能。

(2)溶剂剥离法

将少量的石墨分散在有机溶剂中,利用一定强度的超声波来破坏石墨层间的范德华力,以方便溶剂分子可以渗入到石墨各层中,然后在强烈的超声作用下发生膨胀,以实现石墨的剥离。这种方法可以生产高质量的石墨烯,不会在石墨烯表面引入其他的缺陷,而且还可以实现规模化生产,更方便其在电子领域的应用。但是由于所需要有机溶剂的选择有一定的局限性,使得某些复合材料的制备受到限制,因此使其不能广泛的应用于化学领域。

(3)气相沉积法(CVD)

这种方法是将通入的甲烷气体先加热至 1000℃,然后迅速降至室温条件,从而在镍层表面沉积出约六到十层的石墨烯。这种方法制备出的石墨烯表面积大、质量高、性能优异,而且还可以实现大规模的制备。但与此同时,这种方法制备成本高,工艺条件比较复杂,可重复性比较难,这些缺点限制了此种方法的广泛应用。

(4)碳化硅外延生长法

这种方法是加热单晶碳化硅(6H-Si C),从而在单晶(001)面上分解出石墨烯片层的一种方法。此种方法获得的单层或者是双层石墨烯质量比较好,结构比较完整。但是它的制备工艺要求比较高,不容易实现规模的制备,也不容易得到均匀的膜层。

(5)氧化石墨烯还原法

这种方法的基本过程是:先制备出氧化石墨烯,然后氧化石墨烯在一定还原剂的作用下被还原成为石墨烯。而氧化石墨烯的制备工艺已经相当成熟,主要是对传统的 Hummers 法的一种改进。而氧化石墨烯的制备原理就是石墨在强酸和强氧化剂的共同作用下先形成石墨层间化合物,此层间化合物会再在过量强氧化剂的作用下发生深度氧化反应,进而水解得到氧化石墨,最后氧化石墨通过超声作用或者长时间搅拌破坏分子间作用力而转化为氧化石墨烯。最后产物的氧化程度及工艺性能因为受到很多因素的影响而各不相同。

最后得到的氧化石墨烯在还原剂:水合肼、硼氢化钠、葡萄糖、氨水等的作用下被还原为石墨烯。在这个过程中,离心机在分离石墨烯的时候会用到。


由于机械剥离的方法很难获得大量的石墨烯,使得这种方法不能适应实际应用。而且石墨烯由于强大的范德华力很容易团聚,同时它的表面没有亲水基。这些缺点严重限制了它在各个领域中的应用。而氧化石墨烯的出现正好弥补了上述应用缺点。氧化石墨烯是石墨烯的一种派生物,和石墨烯的结构基本相同,只是在表面上以及边缘处连接有大量含氧基团:羟基,环氧基,羧基以及羰基。这些含氧官能团的引进增加了氧化石墨烯的水溶性,这在制备石墨烯基复合材料方面起着至关重要的作用。氧化石墨烯可以在初期吸附离子或者是分子,再通过其他的工艺过程既可以得到理想的复合材料。


近年来也有学者在探索制备氧化石墨烯更好的方法,James M. Tour 等人通过增加高锰酸钾的量,优化浓硝酸和浓磷酸的比例提高了氧化效率,而且同Hummers 法相比,这种方法制备的氧化石墨烯尽管氧化程度很高,但是被还原以后得到的石墨烯的导电性基本上没有改变。也就是说还原以后的石墨烯表面基本没有被破坏。利用这种方法制备的石墨烯基复合材料在物理、电子领域会有很广泛的应用前景。

另外制备石墨烯的方法还有高温还原法,紫外光照还原法,微波辐射法,电弧法和电化学法等。