[發明專利]一種制備石墨烯的方法

在審

• 申請號: 202010112714.7
• 申請日: 2020-02-24
• 公開（公告）號: CN111302331A
• 公開（公告）日: 2020-06-19
• 發明（設計）人: 柳寧;習衛;羅俊
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: C01B32/186
• 分類號: C01B32/186
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 張宏祥

本發明公開了一種制備石墨烯的方法，首先制備納米多孔金，簡稱為NPG。再將NPG薄片進行催化甲烷CH₄熱解反應，使用加熱芯片收集超純水中的NPG薄片，將該加熱芯片組裝到原位TEM氣相系統中。系統先在常壓下用惰性氣體沖洗，然后引入CH₄氣體，隨后以10～30℃min^–1的加熱速率加熱升高至300～500℃，加速電壓為120～300kV，發生催化現象，石墨烯在NPG表面上從甲烷裂解而得的非晶碳中生長出來。本發明石墨烯的生長過程是一種新的石墨烯制備方法，可補充石墨烯生長機理的研究，從而為合成高質量的石墨烯提供指導。

技術領域

本發明是關于石墨烯的，特別涉及一種在納米多孔金屬上通過催化反應制備石墨烯的方法

背景技術

石墨烯因其獨特的性質而受到學術界和企業界的廣泛關注。在眾多制備方法中，有一類廣泛應用的方法是以金屬單晶或金屬薄膜為催化劑，包括貴金屬Au、Ir和Ru,以及非貴金屬Fe、Cu等，在其表面上暴露并高溫分解甲烷、乙烯等含碳化合物而獲得碳原子，并使碳原子沉積在催化劑或襯底表面、形成大面積均勻連續的石墨烯層。目前，利用不同的金屬襯底催化含碳氣體生長石墨烯，主要有兩種生長過程：“偏析加沉淀”過程和“表面吸收”過程。然而，在不同的金屬襯底上，石墨烯的生長過程會有很大的不同，對石墨烯生長過程的研究會促進人們對石墨烯的認識。因此有必要探索一種在金屬襯底上生長制備石墨烯的新方法。

甲烷熱解是一種提供碳原子的通用型方法，其旨在高溫條件下，將甲烷氣體通入金屬催化劑基底的環境中，甲烷氣體發生分解反應，提供碳原料，獲得非晶碳。基于此，發明一種將甲烷裂解所得的非晶碳催化生長為石墨烯的方法，是本專利的核心思想。

發明內容

本發明的目的，是鑒于石墨烯在不同的金屬襯底上，其生長過程有很大不同，因此，本發明提供一種在納米多孔金屬襯底的表面上利用甲烷熱解生長石墨烯的新方法。

本發明采用將納米多孔金屬置于氣相加熱芯片上，在氣相加熱系統中，甲烷氣體在高溫下會受到納米多孔金的催化，從而裂解產生了非晶碳。非晶碳被催化生成了石墨烯碎片，發生了重復的斷裂生長的周期性過程，最終形成完整的石墨烯層。

一種制備石墨烯的方法，具體步驟如下：

(1)利用脫合金方法制備納米多孔金，簡稱為NPG

將Au-Ag合金薄膜在恒溫水浴25℃下的濃HNO₃中進行去合金化45min，取出脫合金薄膜，然后將脫合金薄膜浸入超純水中60min，制備出NPG薄片；

(2)將步驟(1)制備的NPG薄片進行催化甲烷熱解反應

使用加熱芯片收集超純水中的NPG薄片，將該加熱芯片組裝到原位TEM氣相系統中，整個氣體系統先在常壓下用惰性氣體沖洗40min，然后引入CH₄氣體，隨后以10～30℃min^–1的加熱速率加熱升高至300～500℃，加速電壓為120～300kV，發生明顯的催化現象；期間，石墨烯在NPG表面上從甲烷裂解而得的非晶碳中生長出來；

加熱芯片作為載體，也可以是氣相芯片或者是載玻片；

上述石墨烯層可以是單層也可以是多層的，可以部分區域存在也可以大面積存在。

所述步驟(1)制備的NPG也可以通過電化學法或模板法獲得。

所述步驟(2)的惰性氣體為氮氣或者氬氣。

本發明制得的石墨烯，它的生長過程不同于“偏析加沉淀”過程和“表面吸收”過程，而是在非晶碳中重復的斷裂生長的周期性過程，最終形成完整的石墨烯層。該石墨烯的生長過程是一種新的石墨烯制備方法，并有望補充石墨烯生長機理的研究，從而為合成高質量的石墨烯提供指導。

附圖說明