CN103208685A

CN103208685A - 一种耐腐蚀电极及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN103208685A
Application number: CN2013101263298A
Authority: CN
Inventors: 李晨; 赵华波; 胡保东; 周梦杰; 魏子钧; 郭剑; 张亮; 任黎明; 傅云义; 黄如; 张兴
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2013-07-17

Abstract

本发明公开了一种耐腐蚀石墨烯电极及其制备方法和应用，属于电子器件领域。该耐腐蚀石墨烯电极是利用化学气相沉积法在铜或镍等金属电极的表面覆盖石墨烯层，形成石墨烯-金属复合结构作为电极。由于石墨烯具有良好的结构特、电学和热学特性，该石墨烯-金属复合结构具有较强的抗氧化、抗腐蚀能力，导电性良好，机械强度高，耐磨损等特点。同时制备工艺简单，成本低廉，是替代贵金属插座、插头及电极的理想材料。

Description

一种耐腐蚀电极及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于电子器件领域，具体涉及一种耐腐蚀石墨烯和金属复合的电极及其制备方法和应用。

背景技术

随着自动控制和微电子技术的发展，越来越多的设备需要在强酸、强碱、腐蚀性气氛、高温等恶劣环境下工作。无论是大型输电线路、常规工业仪器，还是微电子器件和电路都离不开连接各个元件和线路的插座、插头及电极(下面统称电极)。由于需随时、频繁切换，通常无法将设备中的电极等材料严格密封起来，但是电极若裸露或密封不佳时，其材料表面极易受环境中的介质腐蚀，例如，海洋船舶中一些电力设备、控制装置等中，通常会在海水或潮湿的环境工作，极易腐蚀其电极；电化学反应池中，通常含强酸、强碱也极容易腐蚀其电极，再如在SO₂等含量较高的大气环境下工作的电极也容易腐蚀；同时电极材料本身还可能氧化，例如：微电子器件和电路中，其电极通常是铜材料，本身容易氧化，使用过程中也会因各种原因使电极氧化从而影响导电性能。金属的腐蚀通常分为化学腐蚀和电化学腐蚀两类。其中，化学腐蚀是指金属表面在各种化学介质作用下受到的腐蚀，具体包括：(1)干燥气体同金属接触使金属表面形成化合物，例如形成氧化物等；(2)金属在液体中受到的腐蚀：些金属在石油、乙醇等有机溶液中会受到腐蚀；常见的电化学腐蚀就是指金属与电解质溶液接触过程中产生电流而形成的腐蚀；金属在潮湿的空气中和各种酸、碱、盐溶液中会受到不同程度的腐蚀等。目前，电缆的插座、插头以及一些电极均使用铜制备，但铜在潮湿的空气中易氧化，而且在酸碱溶液中也会被腐蚀。所以常规的铜电极不能用于上述这些环境中。而在高温、强酸、强碱的环境中使用的多为铂电极(Pt)和金电极(Au)，这两种材料具有很高的化学稳定性和导电性。室温下，铂和金的电阻率分别为1.1×10^-7Ω·m和2.4×10^-8Ω·m。虽然这两种材料制作的电极具有很好的传导性，并且不易被腐蚀。但其主要缺点是铂和金均为贵金属，开采和提炼成本很高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种耐腐蚀电极及其制备方法和应用，可以提高电极的抗腐蚀性能，并且成本低廉。

本发明提供的耐腐蚀电极（如图1所示），其特征在于，在金属电极的表面包裹有石墨烯。

金属电极可采用铜、镍、Cu-Ni合金或者铁等材料。

石墨烯层数为单层、双层或多层。

进一步提供一种耐腐蚀电极的制备方法，制备工艺如下：

1、金属电极的制备；

利用金属Cu、Ni或者Cu-Ni合金制作插头、插座的电极，并且利用丙酮、乙醇和稀盐酸等处理掉金属表面的杂质，包括氧化物和各种油污等。

2、利用CVD法在上述金属电极上制备石墨烯层；

利用化学气相沉积法，在上述金属电极上制备石墨烯层。通常使用的碳源是甲烷、乙烯、乙炔等气体，反应中的其他辅助气体为氢气和氩气，其中氢气起还原作用，氩气起保护作用。基本反应如下：反应中始终通入氢气和氩气，氢气用于还原掉金属表面的氧化物，氩气起到保护作用。待温度升到T₁(根据不同工艺T₁可为600-1100°C)后，先保温退火一段时间，然后通入甲烷、乙烯或者乙炔等碳源。碳源在T₁高温作用下会发生裂解，然后再金属铜或镍的催化作用下在金属表面生长为石墨烯。这样便可形成石墨烯包裹金属Cu的复合结构，然后等温度下降到室温后，将石墨烯-铜复合结构从反应炉中取出。

本发明的基本原理：

本发明拟利用铜、镍或者铜-等金属表面生长石墨烯的复合材料替代贵金属(如铂、金等)制作耐腐蚀导电插头、插座及电极，用于高温、强酸、强碱等环境，或者在铜电极表面用石墨烯覆盖提高铜电极的抗氧化能力。

石墨烯作为以一种独特的单原子层或多原子层二维纳米薄膜，具有良好的结构特性、物理特性及化学特性。石墨烯中的碳原子按照六边形晶格排列，其sp²杂化的C原子均形成饱和键，故石墨烯具有优异的物理特性，可承受高达10⁸A/cm²的电流密度，室温下其电阻率约为～10^-8Ω·m，高于铝、铜等金属，热导率高(远优于铜的)，是一种电和热的良好导体，且具有很高的机械强度，其杨氏系数可达1.0Tpa，抗断强度可达40N/m，同时具有柔韧性，可弯曲折叠。。利用CVD工艺可在铜或者镍等金属的表面任意生长单层或者多层的石墨烯，面积可达数十英寸，而且石墨烯和金属之间存在较强的范德华力，石墨烯与金属铜粘合良好，不易脱落。同时，由于石墨烯之间的摩擦系数很小，因此利用石墨烯-铜复合结构制作的插头、插座，由于石墨烯之间(碳/碳)润滑性能优良，即使其相互之间频繁插拔、也不易磨损。

本发明的优点如下：

1、导电性良好，石墨烯室温下的电阻率约为～10^-8Ω·m，可承受高达10⁸A/cm²的电流密度，因此石墨烯-铜复合结构具有较好的导电能力。

2、抗腐蚀性能优良，石墨烯sp²杂化的C原子均形成饱和键，因此具有较高的化学稳定性，不易被腐蚀。

3、成本低廉，石墨烯的主要原料为甲烷、乙烯、乙炔等气体，制备工艺简单，因此石墨烯-铜复合结构的成本远低于贵金属电极。

4、不易磨损，石墨烯具有较高的机械强度，抗断强度可达40N/m，石墨烯之间摩擦系数较小，因此石墨烯-铜复合结构的电极之间，由于石墨烯之间(碳/碳)润滑性能优良，频繁插拔不易磨损。

●附图说明

图1为本发明包裹有石墨烯材料的金属电极示意图；

图2为采用本发明耐腐蚀电极的插头结构示意图；

图3为采用本发明耐腐蚀电极的插座结构示意图；

其中：

1—电缆；2—金属电极；3—石墨烯；4—插头外壳；5—插座外壳。

●具体实施方式

下面用实施例阐明本发明，但是这些实施例不应被解释为对本发明的限制。

以石墨烯-铜电极插头插座为例：

1、制备铜电极

利用金属Cu制作插头、插座的电极，并且利用丙酮、乙醇和稀盐酸等处理掉铜表面的杂质，包括氧化物和各种表面有机物。

2、在铜电极上制备石墨烯层

利用化学气相沉积法，在铜电极上制备石墨烯层。使用的碳源是甲烷(CH₄)，反应中的其他辅助气体为氢气H₂和氩气Ar，其中氢气起还原作用，氩气起保护作用。

(1)将处理后的铜电极放入CVD工艺管式炉。

(2)通入氢气和氩气(H₂流量25sccm，Ar流量500sccm)，令炉内逐渐升温，40分钟后使炉内温度由室温升至1000°C。

(3)在1000°C时，令炉温保持恒温十分钟，对铜进行退火处理。

(4)通入甲烷(CH₄流量10sccm)3分钟，然后令炉管降温

(5)待炉管降温至室温后，取出样品。

3、制作插座、插头结构（如图2、图3所示）

(1)将取出的石墨烯-铜复合结构作为电极连接上电缆。

(2)利用PVC塑料成型工艺制备外壳，固定电极和电缆的位置，制备出完整的插座、插头结构。

上面描述的实施例并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的更动和润饰，如金属电极除铜以外，还可以为镍、Cu-Ni合金或者铁。因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。

Claims

1.一种耐腐蚀电极，其特征在于，在金属电极的表面包裹有石墨烯。

2.如权利要求1所述的耐腐蚀电极，其特征在于，所述金属电极为铜、镍、Cu-Ni合金或者铁。

3.如权利要求1所述的耐腐蚀电极，其特征在于，所述石墨烯的层数为单层、双层或多层。

4.如权利要求1所述的耐腐蚀电极的制备方法，其特征在于，利用CVD法在金属电极上制备石墨烯，具体为：通入氢气和氩气，待温度升到600-1100°C后，先令金属退火一段时间，然后通入甲烷、乙烯或者乙炔碳源，碳源在T1高温作用下会发生裂解，然后再金属铜或镍的催化作用下在金属表面生长石墨烯，形成如权利要求1所述的包裹有石墨烯的金属电极。

5.如权利要求1所述的耐腐蚀电极作为插头、插座电极的应用。