[發明專利]一種石墨烯/金屬復合材料及三維石墨烯的制備方法

在審

• 申請號: 201711169923.X
• 申請日: 2017-11-22
• 公開（公告）號: CN108034930A
• 公開（公告）日: 2018-05-15
• 發明（設計）人: 閆春澤;李昭青;楊磊;史玉升;陳鵬;黃耀東
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: C23C16/26
• 分類號: C23C16/26;B22F1/02;B22F3/105;B22F3/15;B22F3/24;B33Y10/00;B33Y70/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 張彩錦;曹葆青

本發明屬于石墨烯及其復合材料制備領域，并具體公開了一種石墨烯/金屬復合材料及三維石墨烯的制備方法，所述石墨烯/金屬復合材料的制備方法包括如下步驟：采用化學氣相沉積法在金屬顆粒表面生長石墨烯；將表面生長有石墨烯的金屬顆粒成形為三維實體結構，由此制得石墨烯/金屬復合材料。三維石墨烯的制備方法具體為采用腐蝕液將制備獲得的石墨烯/金屬復合材料中的金屬成分腐蝕去除，由此制得三維石墨烯。本發明可制備獲得性能優異的石墨烯/金屬復合材料產品及三維石墨烯材料，具有操作簡便、制備周期短、適應面廣等優點。

技術領域

本發明屬于石墨烯及其復合材料制備領域，更具體地，涉及一種石墨烯/金屬復合材料及三維石墨烯的制備方法。

背景技術

石墨烯是由單層碳原子構成的二維(2D)晶體材料，具有極其優異的電、光、熱及機械性能和超高的比表面積，賦予其在納米材料、生物工程、精細化工、能量存儲等科學領域非常重要的應用前景。由石墨烯制備的復合材料，也因其對原有材料力學、熱學、電學性能的改進而備受關注。

然而，現有金屬基石墨烯復合材料的制備通常采用石墨烯粉末作為添加物，石墨烯片之間存在強烈的相互作用力，極易發生聚集，這就導致金屬基石墨烯復合材料研究中存在石墨烯在金屬基體中分散性差、熔態下與熔融金屬潤濕性差及界面間結合性能差的問題，使金屬基石墨烯復合材料性能受到限制。

為了解決石墨烯/金屬復合材料存在的難題，現有技術中已經對其提出了一些解決方案。例如，CN102218540B公布了一種采用石墨烯氧化物和金屬鹽在溶液中均勻混合后還原制得石墨烯/金屬復合材料；CN105215353B公布了一種金屬顆粒與氧化石墨烯混勻并發生氧化石墨烯的吸附及原位還原反應，得到金屬顆粒被還原氧化石墨烯包覆的核殼結構的金屬顆粒/石墨烯復合材料；CN106744857A公開了一種在超聲作用下將石墨烯與金屬進行混合研磨，制得3D打印用石墨烯-金屬復合材料。

然而，以上方法采用石墨烯粉末作為原料，均無法實現石墨烯片層在金屬中均勻分散；采用機械混合石墨烯粉末與金屬顆粒無法解決熔態下與熔融金屬潤濕性差及界面間結合性能差的問題；采用氧化石墨烯還原制備的石墨烯存在較多缺陷，影響制備的石墨烯/金屬復合材料性能。

發明內容

針對金屬基石墨烯復合材料研究中存在的石墨烯在金屬基體中分散性差、熔態下與熔融金屬潤濕性差及界面間結合性能差的問題，本發明提供了一種石墨烯/金屬復合材料及三維石墨烯的制備方法，通過采用化學氣相沉積法在金屬顆粒表面生長石墨烯，再采用增材制造或粉末冶金技術將表面長有石墨烯的金屬顆粒成形為三維實體結構，即制得石墨烯/金屬復合材料，由于石墨烯均勻生長于金屬顆粒表面，可有效解決石墨烯在復合材料中分散性和界面結合性能差的問題，并采用腐蝕液將制得的石墨烯/金屬復合材料中的金屬成分腐蝕去除，可制得三維石墨烯材料，具有操作簡便、制備周期短、適應面廣等優點。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提出了一種石墨烯/金屬復合材料的制備方法，其包括如下步驟：

(a)采用化學氣相沉積法在金屬顆粒表面生長石墨烯；

(b)將步驟(a)中獲得的表面生長有石墨烯的金屬顆粒成形為三維實體結構，由此制得石墨烯/金屬復合材料。

作為進一步優選的，步驟(a)中，所述金屬顆粒成分為Fe、Ru、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Au中的一種或組合，所述金屬顆粒的平均粒徑為10nm～500μm；所述化學氣相沉積所使用的碳源為甲烷、乙烯、乙炔、乙醇、苯乙烯中的一種或組合。采用上述成分及尺寸的金屬顆粒，能夠實現石墨烯在金屬顆粒表面的生長，且石墨烯能對成形金屬起到強化作用，采用上述碳源能夠實現石墨烯在金屬表面均勻生長。