CN104925798A - 一种三角形石墨烯的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种三角形石墨烯的制备方法，包括以下步骤：（1）将金属铜片表面清洗，放入管式炉内，并抽取到一定真空度，在氢气气氛中加热到温度900-1100℃；（2）维持所煅烧温度0.5-1.5h，向所述管式炉中通入碳源气体，使之与氢气的体积比为5:4-5:6，保持总压力为5Torr。进行石墨烯的生长，生长1-50min，在煅烧后的金属材料上沉积石墨烯；（3）关闭碳源气体，通入惰性气体，在氢气和惰性气体的体积比为1:8-1:12中冷却至800-900℃，关闭氢气，在惰性气体中冷却至室温。本发明制备工艺简单，可大规模生产；得的到的石墨烯材料具有形貌新颖、可控制的优点，且结构稳定；所用金属铜片可以完全除去，不会对石墨烯材料造成污染。

Description

一种三角形石墨烯的制备方法
技术领域
本发明属于功能材料领域。
背景技术
石墨烯作为一种新型的二维纳米材料，是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体。自发现以来，石墨烯不仅在理论科学上受到了极大关注，并且由于其特殊的纳米结构以及优异的物理化学性能而在材料科学、催化、固态物理学、电子学、生物医学、磁学、光学、纳米电化学、传感器和储能等诸多领域展现出具有巨大的应用潜能。目前人们已经利用机械剥离、碳化硅碳化外延法、氧化石墨还原、化学气相沉积（CVD）法制备石墨烯。其中化学气相沉积(CVD)法制备方法简单，所得石墨烯质量较高，是目前最有潜力大规模工业生长石墨烯的一种方法。但制备的石墨烯形貌难以控制，较常见的有不规则石墨烯，六边形、四边形、十二边形也有所报道。三角形石墨烯鲜有报道，精确控制石墨烯的形貌对于探索石墨烯特有的物理特性，及其扩展到锂电子电池、燃料电池、超级电容器以及各种能量储存领域中的应用具有重要意义。
发明内容
本发明目的是一种三角形石墨烯的制备方法。
本发明中所述的三角形石墨烯的制备方法，包括以下步骤。
（1）将金属铜片表面清洗，放入管式炉内，并抽取到一定真空度，在氢气气氛中加热到温度900-1100℃。
（2）维持所煅烧温度0.5-1.5h，向所述管式炉中通入碳源气体，使之与氢气的体积比为5:4-5:6，保持总压力为5Torr。进行石墨烯的生长，生长1-50min，在煅烧后的金属材料上沉积石墨烯。
（3）关闭碳源气体，通入惰性气体，在氢气和惰性气体的体积比为1:8-1:12中冷却至800-900℃，关闭氢气，在惰性气体中冷却至室温。
步骤（1）所述的金属铜片表面清洗，可采用常规溶解铜的方法除去石墨烯覆盖的金属铜片，可用硝酸（质量分数为20%-35%的硝酸溶液）溶解，或者用硝酸铁（浓度为1.0 -2.0 g/ml）以及过硫酸铵（浓度为3.0 -8.0 g/ml）除去。优选：将金属材料依次用冰醋酸、硝酸、清洗并用氮气吹干。
步骤（2）所述碳源为含碳的有机小分子气体，如甲烷、乙炔，优选甲烷。气流量优选40-60sccm。
步骤（3）中所述的惰性气体为氩气或氮气，优选氩气。气体流量优选30-50sccm。
本发明所制备的三角形石墨烯为二维结构，所述的三角形为直角三角形，三角形大小不一，形状相似，密密麻麻分布在整个基底上，石墨烯既可以是单层或者双层，也可以是三层或者以上，或者是单、多混合层。
本发明所提供的负载三角形石墨烯的金属以及石墨烯既可以作为电极材料，又可以作为储能材料用于能量储存。
本发明所提供的三角形石墨烯是一种新型石墨烯形貌。在晶粒结构上它不同于传统的正六边形、四边形、十二边形结构，也不是正三角形结构，而是新颖的直角三角形结构。这种特殊的结构，对于揭示石墨烯特殊的物理特性至关重要，从而为其在能源的工业化应用奠定基础。
本发明具有以下有益的效果：（1）本发明首次公开了石墨烯的直角三角形结构。制备工艺简单，可大规模生产。（2）本发明所制备的三角形石墨烯具有形貌新颖、可控制的优点。（3）本发明所用金属铜片可以完全除去，不会对石墨烯材料造成污染。（4）本发明所发的到的石墨烯材料结构稳定，方便运输。（5）本发明得到的三角形石墨烯可以直接用来进行物理特性检测，并运用到能源相关产品中。
附图说明
图1为发明制备三角形石墨烯的实验装置结构示意图。
图2为本发明制备的三角形石墨烯的扫描电镜图。
图3为实施例1制备的三角形石墨烯的光学显微镜图。
图4为实施例1制备的多层三角形石墨烯的拉曼光谱图。
图5为实施例2制备的单层和双层混合的三角形石墨烯材料的拉曼光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：
下面实施例中所述方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述材料试剂，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1。
第一步，清洗铜片。
将铜片依次用冰醋酸、去离子水、硝酸溶液10s（浓硝酸：去离子水=1:3）、去离子水、冰醋酸、去离子水各清洗3min，之后用氮气吹干。
第二步， 煅烧铜片。
所用实验装置如图1所示，将铜片放入管式炉石英管中，抽真空到70Pa，通入氢气40sccm，加热升温至1040℃。
第三步，生长石墨烯。
维持温度1040℃0.5h，通入甲烷50 sccm，保持总压力为5Torr，生长5min，关闭碳源，开Ar40sccm，氢气调成4sccm，冷却到900℃后关闭氢气，在Ar氛围中冷却到室温，即得到层数为单层和双层混合的三角形石墨烯。
第四步，除去金属铜片。
配制PMMA溶液（溶质为聚甲基丙烯酸酯，溶剂为氯苯，46mg/ml），将负载石墨烯的金属铜片旋涂PMMA，130℃烘烤5min，以便PMMA固化。放入过硫酸铵中 2-5h，直至铜片完全溶解；用去离子水清洗至少3遍，最后在去离子中放置30min；用丙酮超声清洗过的硅片从石墨烯薄膜底部托起石墨烯， 220℃烘烤5min。分别放入丙酮中2h、异丙醇中30min、去离子水中10min清洗PMMA以及残留溶液，300℃烘烤5min，即得三角形石墨烯。
第五步，材料的表征。
将第四步得到的石墨烯进行扫描电镜表征（图2），如图可知石墨烯结构为直角三角形，三角形直角边长约为1μm，分布均匀。
实施例2。
本实施例升温到指定温度后恒温时间不同，按实施例1中的制备方法：铜片表面清洗后，放入管式炉内，抽真空到70Pa，通入氢气40sccm，加热升温至1040℃，维持温度1h，通入甲烷50 sccm，保持总压力为5Torr，生长5min，关闭碳源，开Ar40sccm，氢气调成4sccm，冷却到900℃后关闭氢气，在Ar氛围中冷却到室温，即得到单层和双层混合的三角形石墨烯。
实施例3。
本实施例降温时冷却到不同的温度，按实施例1中的制备方法：铜片表面清洗后，放入管式炉内，抽真空到70Pa，通入氢气40sccm，加热升温至1040℃，维持温度0.5h，通入甲烷50 sccm，保持总压力为5Torr，生长5min，关闭碳源，开Ar40sccm，氢气调成4sccm，冷却到800℃后关闭氢气，在Ar氛围中冷却到室温，即得到多层的三角形石墨烯。
实施例4。
本实施例降温时通入不同的氢气，按实施例1中的制备方法：铜片表面清洗后，放入管式炉内，抽真空到70Pa，通入氢气40sccm，加热升温至1040℃，维持温度0.5h，通入甲烷50 sccm，保持总压力为5Torr，生长5min，关闭碳源，开Ar40sccm，氢气调成5sccm，冷却到900℃后关闭氢气，在Ar氛围中冷却到室温，即得到多层的三角形石墨烯。

Claims (6)

1.一种三角形石墨烯的制备方法，其特征是包括以下步骤：
（1）将金属铜片表面清洗，放入管式炉内，并抽取到一定真空度，在氢气气氛中加热到温度900-1100℃；
（2）维持所煅烧温度0.5-1.5h，向所述管式炉中通入碳源气体，使之与氢气的体积比为5:4-5:6，保持总压力为5Torr；进行石墨烯的生长，生长1-50min，在煅烧后的金属材料上沉积石墨烯；
（3）关闭碳源气体，通入惰性气体，在氢气和惰性气体的体积比为1:8-1:12中冷却至800-900℃，关闭氢气，在惰性气体中冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的三角形石墨烯的制备方法，其特征是步骤（2）所述碳源为含碳的有机小分子气体。
3.根据权利要求1或2所述的三角形石墨烯的制备方法，其特征是步骤（2）所述碳源为甲烷或乙炔。
4.根据权利要求1所述的三角形石墨烯的制备方法，其特征是步骤（2）所述碳源气体的气流量为40-60sccm。
5.根据权利要求1所述的三角形石墨烯的制备方法，其特征是步骤（3）中所述的惰性气体为氩气或氮气。
6.根据权利要求1所述的三角形石墨烯的制备方法，其特征是步骤（3）中所述的惰性气体气体流量为30-50sccm。
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