[發明專利]一種超薄層石墨烯微管的制備方法

在審

• 申請號: 201710322558.5
• 申請日: 2017-05-09
• 公開（公告）號: CN107140621A
• 公開（公告）日: 2017-09-08
• 發明（設計）人: 錢慶榮;王心怡;曾令興;羅永晉;陳慶華;肖荔人;黃寶銓
• 申請（專利權）人: 福建師范大學
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184
• 代理公司: 福州智理專利代理有限公司35208
• 代理人: 王義星

技術領域

本發明涉及化學氣相沉積領域，特別涉及一種超薄層石墨烯微管的制備方法。

背景技術

當石墨的堆垛原子層數少于10個單原子層時，石墨層即具有與普通三維石墨不同的電子結構，通常將10層以下的石墨結構統稱為石墨烯。在諸多的石墨烯制備方法中，化學氣相沉積法（CVD法）是實現高質量石墨烯規模化生產的重要技術之一。CVD通常是指以過渡金屬作為模板和催化劑，通入的碳源在高溫下分解出碳沉積在金屬上，最終形核生成石墨烯的過程。石墨烯的層數越少，其性能就越顯著，因而制備超薄層石墨烯更具有研究價值。目前，在銅、鎳等常用的片狀襯底上生長大面積、高質量、薄層石墨烯的研究已經相對成熟，而在絲狀基底上CVD生長超薄層石墨烯的研究則罕見報道。超薄層石墨烯微管具有石墨烯的優異性質以及特殊的形貌結構，拓展了新型材料領域的應用范圍。

發明內容

本發明的目的在于提供一種利用化學氣相沉積法在微米級銅絲表面生長超薄層石墨烯的制備方法，制備工藝簡單，成本相對經濟，可以獲得層數少，質量好的石墨烯微管。

本發明所采用的技術方案如下：

一種超薄層石墨烯微管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1) 微米級銅絲預處理；

(2)將預處理后的銅絲放置于滑軌式管式爐中，抽真空后通入氫-氬混合氣至常壓；

(3)管式爐加熱至預設溫度，恒溫對銅絲進行退火處理；

(4)通入甲烷-氬氣混合氣，保持一定的生長時間后停止通入甲烷-氬氣混合氣碳源，開啟滑臺裝置使爐體勻速滑開，同時打開電風扇，待石英管內溫度快速降至室溫后取出樣品，得到銅絲/石墨烯；

(5)將銅絲/石墨烯浸沒于三氯化鐵刻蝕液中除去銅絲，即可獲得超薄層石墨烯微管。

所述的步驟（1）微米級銅絲預處理過程為：將微米級銅絲浸沒于0.1~1 mol/L過硫酸銨溶液中處理10~60 s，然后依次采用丙酮、去離子水、乙醇進行清洗。

所述的步驟（2）的氫-氬混合氣中氫氣所占的體積分數為1~20%，混合氣流量為50~400 sccm。

所述的步驟（3）的管式爐的爐體升溫速率為1~20 ℃/min，溫度為950~1050 ℃，恒溫時間為15~60 min。

所述的步驟（4）的甲烷-氬氣混合氣中甲烷所占的體積分數為1~20%，混合氣流量為10~100 sccm。

所述的步驟（4）的生長時間為1~30 min。

所述的步驟（5）的三氯化鐵刻蝕溶液濃度為1~10 mol/L。

上述的制備方法制得超薄層石墨烯微管。

具體地說，本發明所述的一種超薄層石墨烯微管的制備方法，采用如下技術方案：

(1)對微米級銅絲進行預處理；

(2)將經過預處理后的銅絲放置于滑軌式管式爐中，管內抽真空后通入氫-氬混合氣至常壓；

(3)管式爐以1~20 ℃/min的升溫速率加熱至預設溫度，恒溫15~60 min對銅絲進行退火處理；

(4)通入甲烷-氬氣混合氣，保持一定的生長時間后停止通入碳源，開啟滑臺裝置使爐體勻速滑開，同時打開電風扇，待石英管內溫度快速降至室溫后取出樣品，得到銅絲/石墨烯；

(5)在銅絲/石墨烯樣品浸沒于三氯化鐵溶液中刻蝕去除內層銅絲，即獲得石墨烯微管。

步驟1所述的銅絲直徑為15~50 μm，預處理過程包括：將銅絲浸沒于0.1~1 mol/L過硫酸銨溶液中處理10~60 s，然后依次采用丙酮、去離子水、乙醇進行清洗。

步驟2所述的氫-氬混合氣中氫氣所占的體積分數為1~20%，混合氣的流量為50~400 sccm。

步驟3所述的溫度為950~1050 ℃。

步驟4所述的甲烷-氬氣混合氣中甲烷所占的體積分數為1~20%，混合氣流量為10~100 sccm，生長時間為1~30 min。

步驟5所述的三氯化鐵刻蝕溶液濃度為1~10 mol/L。

本發明具有如下優點：

該方法制備過程簡單，能在微米級銅絲的表面生長石墨烯，通過調控氫-氬混合氣的流量、生長溫度和生長時間，并將內層的銅絲徹底去除后可以獲得高質量的超薄層的石墨烯微管，特殊形狀的石墨烯為新型材料的制備和應用提供了一個新的研究方向。

附圖說明

圖1為實施例1中1000 ℃下CVD生長后的銅絲/石墨烯表面的掃描電鏡圖，圖1中（a）的放大倍數為×1000，圖1中（b）的放大倍數為×5000。