一種製備氫化石墨烯的方法

專利名稱：一種製備氫化石墨烯的方法

申請號：CN201410114921.0

申請日：2014.03.25

公開（公告）日：2014.6.18

申請（專利權）人：中國科學院上海有機化學研究所

發明人：黃曉宇張森楊陽

專利類型：發明專利

摘要：

本發明提供一種製備氫化石墨烯的方法，將由氟化石墨懸浮在液態胺中製成的氟化石墨分散液滴加到鈉鉀合金和無水液態胺混合得到的混合溶液中反應，1-15小後加入脂肪醇淬滅反應得到氫化石墨烯。本發明的方法反應條件溫和、簡單高效，成本低廉，能夠大規模地製備帶隙可調節的氫化石墨烯。

主權項：

一種製備氫化石墨烯的方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟：(a)在惰性氣氛下，將鈉鉀合金和無水液態胺混合得到混合溶液；(b)將氟化石墨分散液滴加到步驟(a)所得的混合溶液中進行反應；(c)反應1?15小後，向步驟(b)的反應體系中加入脂肪醇淬滅反應得到氫化石墨烯，其中，所述氟化石墨分散液由氟化石墨懸浮在液態胺中製成。

背景技術:

2004年,英國曼切斯特大學教授A.Geim和K.Novoselov利用簡單的機械剝離法，製備並觀測到了單層石墨烯。完美的石墨烯是一種理想的二維晶體，具有碳六元環組成的二維周期蜂窩狀點陣結構，厚度僅為一個碳原子的直徑，是目前世界上最薄的材料。自2004年這種材料被發現以來，它獨特的物理化學性能令研究人員震驚。這兩名科學家也因為這一突破性的發現，被授予2010年諾貝爾物理獎。

從化學鍵的鍵合方式上看，構成石墨烯二維結構的碳原子以Sp2方式雜化，並貢獻剩餘的一個P軌道電子形成離域的H鍵，電子可以在平面內自由移動，賦予了石墨烯優異的導電性；並且由於只有一個碳原子的厚度，石墨烯也表現為典型的二維量子材料。電子在石墨烯中的遷移率最高可達到15000cm2/(V -s)，比硅材料高10倍以上，而且幾乎不受溫度變化的影響。此外，其還具有高導熱能力、超大比表面積、零質量狄拉克-費米子行為和異常量子霍爾效應等一系列優良的物理特性，使其在納米電子器件領域極具應用潛力，可用來製備新型場效應晶體管、自旋電子器件和光電子器件等。

Geim小組成功研製出了石墨烯單原子層晶體管，這是世界上最小的晶體管；IBM公司開發出了世界上速度最快的石墨烯場效應晶體管，可在26GHz頻率下運行。這些原型器件充分展示了石墨烯在納米電子器件領域應用的巨大潛力，基於石墨烯的納米電子器件也被認為是一種潛在的傳統半導體微電子器件的替代物。

IBM的石墨烯圓晶/晶元

然而，與半導體硅不同，石墨烯的價帶和導帶之間沒有帶隙。而帶隙是電子應用的關鍵，因為它能使材料實現電子流的開與關，發展調控石墨烯電子結構和禁帶寬度技術具有重要意義。

目前，能夠改變石墨烯帶隙的方法有光刻法、邊緣修飾法、摻雜雜元素法、氫化石墨稀法和在不同基底上外延生長石墨稀法等。

與其它方法相比，氫化石墨烯法是一種有效調節石墨烯帶隙的方法。經過氫化，單層石墨烯中碳原子由SP2雜化轉變為SP3雜化，引起費米能級的遷移，使禁帶寬度增大，可以實現石墨烯的電性能由金屬性向半導體性的轉變。並且，氫化石墨烯的帶隙能夠由氫化程度來調節，帶隙可調範圍大，能滿足不同器件的應用要求。禁帶寬度隨氫化程度增大而增大，當完全氫化時，石墨烯帶隙增到5.4eV左右。

目前已報道的製備氫化石墨烯的方法主要是通過氫等離子體、電子束光刻等物理手段對石墨烯進行氫化。這類方法需要用到等離子體技術和電子束光刻技術等手段，對實驗設備及實驗條件有相對較高的要求；並且其需要以石墨烯為原料，而石墨烯的製備成本高昂，使這種製備方法的大規模應用受到了限制。

最近出現了濕法化學氫化法製備氫化石墨烯，即利用鹼金屬的液氨溶液對石墨或氧化石墨進行還原得到氫化石墨烯。這種方法原料來源廣泛、成本低廉，並且反應條件溫和、簡單易行，適合氫化石墨烯的大規模製備。

綜上，本領域尚需繼續研發氫化石墨烯的製備方法，簡單高效，且能降低成本，可以大規模製備。

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