Introducción a la preparación de grafeno por método químico

El grafeno tiene una estructura única y un rendimiento excelente. En los últimos años, ha atraído un gran interés por la investigación en química, física y materiales, y ha avanzado mucho en la preparación de grafeno. Este artículo explica principalmente el método de preparación de grafeno por método químico.

En la actualidad, el grafeno se prepara principalmente mediante métodos químicos en el laboratorio. El método se utilizó por primera vez como un núcleo de anillos de benceno u otros sistemas aromáticos. Seis C en anillos de benceno o anillos aromáticos grandes fueron reemplazados por reacciones de acoplamiento de múltiples pasos y se repitió el ciclo. Agrandar el sistema aromático, Para obtener grafeno con un cierto tamaño de estructura plana. Sobre esta base, las personas continúan mejorando, haciendo que el método de reducción de óxido de grafito se convierta en el método más prometedor y prometedor para la síntesis de grafeno y sus materiales. Además, los métodos de deposición de vapor químico y crecimiento epitaxial de cristales también se pueden utilizar para preparar grafeno de alta pureza a gran escala.

Preparación de grafeno por deposición química de vapor.

El principio de la deposición de vapor químico es introducir una o más sustancias gaseosas en una cámara de reacción y reaccionar químicamente para formar un nuevo material depositado en la superficie del sustrato. Es una de las tecnologías más utilizadas para la industrialización a gran escala de materiales semiconductores de película delgada.

Srivastava y col. utilizó la deposición de vapor químico mejorada por microondas para hacer crecer pétalos de aproximadamente 20 nm de espesor en el sustrato de Si rodeado de Ni, y estudió la influencia de la potencia de microondas en la morfología de las láminas de grafito. Se obtuvo una lámina de grafito de menor espesor que el método de preparación anterior. Los resultados mostraron que cuanto mayor es la potencia de microondas, más pequeña es la hoja de grafito, pero mayor es la densidad. La hoja de grafito preparada por este método contiene más elementos de Ni.

Kim y col. añadió una capa de Ni con un espesor de menos de 300 nm al sustrato de Si, luego calentó la sustancia en una mezcla de metano, hidrógeno y argón a 1000 ° C, y la redujo rápidamente a temperatura ambiente. Este proceso puede depositar de 6 a 10 capas de grafeno en la parte superior de la capa de Ni. El grafeno preparado por este método tiene alta conductividad, buena transparencia y alta movilidad de electrones (~ 370 cm2 / (V · s)), y tiene un efecto Hall cuántico medio entero a temperatura ambiente. Las películas gráficas de grafeno se pueden preparar haciendo gráficos de capa de Ni. Estas películas se pueden transferir a diferentes sustratos flexibles garantizando la calidad. Esta transferencia se puede lograr mediante dos métodos: primero, el Ni se corroe con un solvente para hacer flotar la película de grafeno en la superficie de la solución, y luego el grafeno se transfiere a cualquier sustrato requerido; Otro es el uso de tecnología estampada con caucho para transferir películas delgadas.

El método de deposición de vapor químico puede cumplir con los requisitos de preparación a gran escala de grafeno de alta calidad y gran área, pero en esta etapa debido a su alto costo, proceso complejo y condiciones de control precisas, el desarrollo de la preparación de grafeno de este método está restringido. . Más investigación.

Preparación de grafeno por método de crecimiento epitaxial.

ClarieBerger y col. utilizó este método para preparar escamas de grafeno monocapa y multicapa y estudió sus propiedades. Al calentar, el grafeno se obtiene eliminando el Si de la superficie formada con Si (00001) de un monocristal de 6H-SiC. La muestra después de la oxidación o grabado con H2 de la superficie se realiza a alto vacío (UHV; presión base 1,32 × 10-8Pa) Se calienta a 1000 ° C mediante bombardeo electrónico para eliminar los óxidos de la superficie (eliminar repetidamente los óxidos para mejorar la masa superficial), y después de la El óxido se elimina por completo mediante espectroscopía electrónica Auger, se calienta hasta 1250-1450 ° C, temperatura 1-20 min. Las escamas de grafito en la superficie de Si crecen lentamente y dejan de crecer poco después de alcanzar altas temperaturas, mientras que las láminas de grafito en la superficie de C no están limitadas y su espesor puede alcanzar de 5 a 100 capas. El grosor de la hoja de grafeno formada está determinado por la temperatura de calentamiento. Se pueden obtener dos tipos de grafeno mediante este método: uno es el grafeno que crece en la capa de Si. Debido al contacto con la capa de Si, las propiedades conductoras de este grafeno se ven muy afectadas; El otro es el grafeno, que crece en la capa C y tiene una excelente conductividad eléctrica. Ambos se ven muy afectados por el sustrato de SiC. Este método tiene condiciones difíciles (alta temperatura, alto vacío) y el grafeno resultante no se separa fácilmente del sustrato y no se puede utilizar para la fabricación masiva de grafeno.

Grafeno preparado por reducción de óxido de grafito

El grafeno se prepara mediante el método de reducción de óxido de grafito dispersando láminas de grafito en ácidos mixtos oxidantes fuertes como ácido nítrico concentrado y ácido sulfúrico concentrado, y luego agregando permanganato de potasio o clorato de potasio fuerte y otros oxidantes para oxidar para obtener óxido de grafito (GO) hidrosol. Después del tratamiento ultrasónico para la obtención de óxido de grafeno, finalmente se obtiene el grafeno por reducción. Este es el método más utilizado para preparar grafeno.

El grafito en sí es una sustancia hidrófoba. Sin embargo, el proceso de oxidación ha dado lugar a la formación de un gran número de defectos estructurales. Estos defectos no pueden eliminarse por completo incluso después del recocido a 1100 ° C. Por lo tanto, hay una gran cantidad de grupos hidroxilo, grupos carboxilo y grupos epoxi en la superficie y los bordes del GO. Es una sustancia hidrófila. Debido a la presencia de estos grupos funcionales, GO reacciona fácilmente con otros reactivos para obtener óxido de grafeno modificado. Al mismo tiempo, el espaciado de la capa GO (0,7 ~ 1,2 nm) también es mayor que el espaciado de la capa de grafito original (0,335 nm), lo que favorece la intercalación de otras moléculas de material. Generalmente hay tres métodos para preparar GO: Standenmaier, Brodie y Hummers. El principio básico de la preparación es tratar el grafito con ácido protónico fuerte primero para formar un compuesto de capa intermedia de grafito y luego agregar un oxidante fuerte para oxidarlo. Los métodos de reducción GO incluyen reducción química en fase líquida, reducción térmica, reducción del método de plasma, extracción por descarga de arco de hidrógeno, reducción de agua superlímite, reducción de luz, reducción térmica de solventes y reducción de microondas.

Por primera vez, Stankovich et al. grafito en escamas oxidado y disperso en agua, y luego lo redujo con hidrato de hidracina. Durante el proceso de reducción, se utilizó poliestireno sulfonato de sodio (PSS) de alto peso molecular para adsorber y revestir la superficie de la capa de óxido de grafito para evitar la aglomeración. Debido al fuerte enlace no covalente entre PSS y grafeno (fuerza de apilamiento π? Π), se evita la agregación de láminas de grafeno y el compuesto tiene buena solubilidad en agua (1 mg / ml). Por tanto, se preparó un monolito de grafito oxidado modificado revestido con PSS. Sobre esta base, Stankovich et al. preparó un material compuesto de grafeno / poliestireno monocapa modificado que tiene un valor de diafiltración bajo (aproximadamente 0,1% por fracción de volumen) y una conductividad eléctrica excelente (0,1 S / m).

Este método es ecológico, eficiente, de bajo costo y puede industrializarse a gran escala. Su desventaja es que los oxidantes fuertes dañarán seriamente la estructura electrónica del grafeno y la integridad de los cristales, afectando las propiedades electrónicas, limitando así su aplicación en el campo preciso de la Microelectrónica hasta cierto punto.

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