CN106365157B - 一种物理法制备石墨烯硫酸铜悬浮液的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种物理法制备石墨烯硫酸铜悬浮液的方法。利用真空蒸镀(蒸发)、磁控溅射、离子溅射等物理方法,对石墨烯进行改性处理,将铜纳米颗粒均匀沉积在石墨烯表面,避免和阻止石墨烯的团聚,增强其亲水性,实现其在硫酸铜溶液中均匀分散和混合,即获得石墨烯硫酸铜悬浮液。由于铜纳米颗粒的存在,使石墨烯在硫酸铜溶液中的团聚作用和上浮(疏水性)消失,分散性和亲水性显著提高。该方法具有工艺简单、纯度高无杂质、分散性好、稳定性高、适用性广、效率高、容易控制、适合大规模制备等优点,可制备高导电性、高导热性和高强度的铜基金属复合材料的前驱体,具有应用前景。
Description
技术领域
本发明属于石墨烯技术领域,具体涉及一种物理法制备石墨烯硫酸铜悬浮液的方法。
背景技术
石墨烯是由一个碳原子层厚度组成的蜂窝状晶格结构,其特殊的二维结构赋予了石墨烯极其优异的物理、化学、力学等性能。例如,世界上最薄的材料 (单层石墨烯厚度仅为0.335 nm);目前已知强度最高的材料(达130GPa,约为普通钢的100倍);韧性极好(弹性模量可达1.1 TPa);突出的电导性能,室温下具有高速的电子迁移率(达 15000cm2/(V·s),约为硅的140倍);良好的热导性能,热导率高达 5150 W/(m·K),是室温下纯金刚石的3 倍;极高的比表面积 (单层石墨烯的理论比表面积高达2630m2/g)等。石墨烯的这些性能为其在复合材料领域的应用提供了原动力。石墨烯是各种复合材料的理想增强体,有望开发出多种多样的聚合物基、金属基复合材料。2010年诺贝尔奖获得者 Geim 认为,虽然石墨烯在许多领域取得惊人的进展,但石墨烯复合材料有望成为最快实现应用的领域。
一般认为,石墨烯与其它金属或者高分子聚合物材料的复合,理论上可以有效地利用石墨烯的高强度、高韧性、高导电性等,实现组元材料的优势互补和加强,向多功能方向发展,其中石墨烯在高分子复合材料力学增强和电学增强方面已经取得了巨大成功。然而,石墨烯在金属基复合材料中还存在一定的挑战,其主要问题在于石墨烯表面能较大,片层之间存在范德华力,很难在金属基体有效分散与基体紧密结合,并且由于其疏水性在液相环境中非常容易发生团聚效应。因此,通过对石墨烯的改性,使其能够均匀地分散在溶液中制备成悬浮液,能够解决上述题,在复合材料中的应用具有极大的商业价值与前景。其中获得硫酸铜溶液中的石墨烯悬浮液是制备石墨烯/铜复合材料,并实现其产业化产生的关键技术。
目前,制备石墨烯悬浮液的方法众多,主要为化学法,例如:1)以氧化石墨烯表面的含氧基团为活性位点,选择具有不同特性的化学试剂与其进行亲核取代、亲电取代、缩聚反应等共价功能化,并经过化学还原形成石墨烯悬浮液;2)通过利用范德华力、静电力、疏水性或分子吸附等对氧化石墨烯进行非共价改性,并经过化学还原形成石墨烯悬浮液;3)以预处理的石墨做为电极,通过电化学的方法对其进行电化学剥离后并分离,制备成石墨烯悬浮液。通过化学法制备的石墨烯悬浮液虽然分散性好、稳定性强,但其制备工艺较为繁琐,重复度较低,特别是非常容易引人各种杂质。因此,对于对纯度要求高的金属基复合材料来说,利用化学改性方法制备的石墨烯悬浮液在应用中会受到一定的限制。
众所周知,采用物理法,如真空蒸镀(蒸发)、磁控溅射、离子溅射等,是沉积金属纳米薄膜和纳米颗粒的一种有效方法。其基本原理是:在真空条件下,用物理方法(蒸发或溅射),将材料汽化成原子、分子或使其电离成离子,并通过气相过程,在材料或工件表面沉积一层具有某些特殊性能的薄膜,或者纳米颗粒。一般来说,这些沉积方法主要用于制备各种纳米薄膜,但是如果能够控制沉积时间等条件,也可以得到纳米颗粒的弥散分布,实现对各种材料的修饰作用。
基于上述问题,本发明提出了一种全新的利用物理法(蒸发或溅射)改性石墨烯,制备石墨烯悬浮液的方法。即通过物理法在石墨烯表面沉积铜(Cu)纳米颗粒,提高其在硫酸铜溶液中的分散性和亲水性,实现石墨烯在硫酸铜溶液中的有效分散和悬浮,从而获得高质量的石墨烯硫酸铜悬浮液。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种物理法制备石墨烯硫酸铜悬浮液的方法。本发明方法通过利用物理法(蒸发或溅射),对石墨烯进行改性处理,将铜(Cu)纳米颗粒均匀沉积在石墨烯表面,避免和阻止石墨烯的团聚,增强其亲水性,实现其在硫酸铜溶液中均匀分散和混合,即获得石墨烯硫酸铜悬浮液。
本发明的目的的技术方案依次包括如下步骤:
一种物理法制备石墨烯硫酸铜悬浮液的方法,包括如下步骤:
(1)将石墨烯质量5%-20%的、粒径均匀的铜(Cu)纳米颗粒沉积在石墨烯粉体表面上,改变石墨烯表面的性质;
(2)将(1)所得粉体与硫酸铜溶液混合,经过超声,形成石墨烯硫酸铜悬浮液。
所述石墨烯粉体的制备方法为:先利用化学剥离法或电化学剥离法制备的氧化石墨烯,再采用化学还原法或热还原法将氧化石墨烯还原,得到还原石墨烯,即通常所说的石墨烯。
步骤(1)中,通过真空蒸镀(蒸发)、磁控溅射、离子溅射等方法,对石墨烯进行改性,即在石墨烯表面上沉积一层铜(Cu)纳米颗粒。
所述石墨烯粉体改性条件为:
对于真空蒸镀(蒸发)情况:单次操作石墨烯粉体质量为10 mg~100g,真空蒸镀仪真空度控制在1*10-2~1*10-5 Torr,蒸镀次数不限,热蒸镀电流10~30A,单次热蒸镀时间5~120秒。
对于离子溅射情况:单次操作石墨烯粉体质量为10mg~100g,离子溅射仪抽真空至1 ~ 5*10-2 Torr后通入Ar气,通过调节Ar气含量将电流调至30~100mA,石墨烯样品与靶材间距为2~30cm,然后溅射10~120秒,溅射次数不限。
对于磁控溅射情况:单次操作石墨烯粉体质量为10mg~100g,磁控溅射仪抽真空至1~5*10-2 Torr后通入Ar气,电源输出功率为10~200W,石墨烯样品与靶材间距为2~30cm,溅射气压0.1~5Pa,溅射时间10~120秒,溅射次数不限。
所述铜纳米颗粒的粒径优选为5-10nm。
步骤(2)中,所述超声条件为:频率25 kHz以上,功率400 W以上,时间为0.5小时以上。
所述石墨烯硫酸铜悬浮液中,作为优选条件,硫酸铜浓度为5~200g/L,石墨烯浓度为0.01~1mg/ml。
本发明方法将经过物理法改性后的石墨烯粉体有效地分散于不同浓度的硫酸铜溶液中,形成在硫酸铜溶液中较为稳定的石墨烯悬浮液。本发明方法具有工艺简单、纯度高无杂质、分散性好、稳定性高、适用性广、效率高、容易控制、适合大规模制备等优点,可制备高导电性、高导热性和高强度的铜基金属复合材料的前驱体。
本发明具有以下优点和有益效果:
(1)本发明通过物理法将铜(Cu)纳米颗粒有效地沉积于石墨烯片层之间,明显减缓了石墨烯的团聚效应,增加了石墨烯的亲水性。
(2)与化学法相比,本发明能有效地避免了杂质元素的引入,为后期制备铜基/石墨烯复合材料提供了纯净的前驱体。
(3)本发明提供的方法具有工艺简单、纯度高无杂质、分散性好、稳定性高、适用性广、效率高、可大规模生产等特点。
附图说明
图1 为实施例3在石墨烯上蒸镀铜(Cu)纳米颗粒的扫描电镜(SEM)图片
图2 为实施例3在石墨烯上蒸镀铜(Cu)纳米颗粒的透射电镜(TEM)图片
图3 为氧化还原石墨烯悬浮液与采用物理法制备的改性石墨烯悬浮液稳定性对比曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步阐述,但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之内。
实施例1:
本实施例中天然石墨粉的平均粒度为325目。采用常规的Hummer方法制备氧化石墨烯。具体过程如下:1)称取0.2g石墨、0.5gK2S2O4和0.5g P2O5,量取4mL浓硫酸混合均匀,并放入80℃水浴设备中持续搅拌四小时后取出。2)向经过处理后的溶液中加入12mL浓硫酸,并缓慢(0.1 g/min)加入2g KMnO4,此过程温度需保持在20℃以下,加入KMnO4后,在35 ℃条件下恒温搅拌2小时。3)再加入25 mL蒸馏水,利用浓硫酸吸水放热的热量使得石墨片彻底氧化和分离。4)将所得物加入到70mL蒸馏水中,70℃恒温 1小时。5)向溶液中加入3mL双氧水,除去过量的KMnO4,用酒精清洗涤至溶液pH=7,超声分散1 小时,在70℃烘干溶液,最后得到氧化石墨烯。
实施例2
将氧化石墨烯粉体置于真空管式炉(3KW;500℃)中H2氛围中进行还原处理,反应时间为2小时,得到还原氧化石墨烯粉体,即通常所说的石墨烯。
实施例3
氧化石墨烯的制备与还原的实验条件与实施例1和例2相同。称取10mg石墨烯粉体置于真空蒸镀仪中,然后将铜(Cu)(2mg)纳米颗粒通过蒸镀方法沉积到石墨烯表面。保持真空蒸镀仪蒸镀期间真空度控制在1*10-4 Torr,热蒸镀铜次数3次,热蒸镀期间电流25A,单次热蒸镀时间10s。
实施例4
氧化石墨烯的制备与还原的实验条件与实施例1和例2相同。称取35mg石墨烯粉体置于真空蒸镀仪中,然后将铜(Cu)(7mg)纳米颗粒通过蒸镀方法沉积到石墨烯表面。保持真空蒸镀仪蒸镀期间真空度控制在1*10-4 Torr,热蒸镀铜次数6次,热蒸镀期间电流25A,单次热蒸镀时间35s。
实施例5
氧化石墨烯的制备与还原的实验条件与实施例1和例2相同。称取50mg石墨烯粉体置于真空蒸镀仪中,然后将铜(Cu)(10mg)纳米颗粒通过蒸镀方法沉积到石墨烯表面。保持真空蒸镀仪蒸镀期间真空度控制在1*10-4 Torr,热蒸镀铜次数10次,热蒸镀期间电流25A,单次热蒸镀时间60s。
实施例6
将实施例4制备的沉积有10nm左右铜(Cu)纳米颗粒的石墨烯粉体,放入硫酸铜溶液中,然后进行超声(功率800W, 25kHz,30min)处理使其与硫酸铜溶液充分混合,制成石墨烯硫酸铜悬浮液。其中硫酸铜溶液的浓度为5g/L,改性石墨烯的浓度为0.01mg/ml。图3为物理法改性石墨烯稳定性曲线图。石墨烯悬浮液稳定性曲线的测定:首先,通过利用吸收光谱对不同时间悬浮液进行定性测量。然后,将不同时间下稳定悬浮液进行过滤、称量,以确定不同时间下石墨烯浓度。
实施例7
将实施例5制备的沉积有10nm左右铜(Cu)纳米颗粒的石墨烯粉体,放入硫酸铜溶液中,然后进行超声(功率800W, 25kHz,30min)处理使其与硫酸铜溶液充分混合,制成石墨烯硫酸铜悬浮液。其中硫酸铜溶液浓度为100g/L,改性石墨烯浓度为0.5mg/ml。
实施例8
将实施例4制备的沉积有10nm左右铜(Cu)纳米颗粒的石墨烯粉体,放入硫酸铜溶液中,然后进行超声(功率800W, 25kHz,30min)处理使其与硫酸铜溶液充分混合,制成石墨烯硫酸铜悬浮液。其中硫酸铜溶液浓度为200g/L,改性石墨烯浓度为1mg/ml。
从上可以看出,由此方法制备出的在硫酸铜溶液中的石墨烯悬浮液分散性好,稳定性强,在后期制备铜基复合材料等应用方面具有相当显著的商业价值与实际应用意义。
Claims (7)
1.一种物理法制备石墨烯硫酸铜悬浮液的方法,包括如下步骤:
(1)将石墨烯质量5%-20%的、粒径均匀的铜纳米颗粒,通过真空蒸镀、磁控溅射或离子溅射沉积在石墨烯粉体表面上,改变石墨烯表面的性质;
(2)将(1)所得粉体与硫酸铜溶液混合,经过超声,形成石墨烯硫酸铜悬浮液。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述铜纳米颗粒的粒径为5-10nm。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,步骤(1)中,采用真空蒸镀对石墨烯粉体改性,条件为:单次操作石墨烯粉体质量为10 mg~100g,真空蒸镀仪真空度控制在1×10-2~1×10-5 Torr,蒸镀次数不限,热蒸镀电流10~30A,单次热蒸镀时间5~120秒。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(1)中,采用离子溅射对石墨烯粉体改性,条件为:单次操作石墨烯粉体质量为10mg~100g,离子溅射仪抽真空至1×10-2 Torr ~ 5×10-2 Torr后通入Ar气,通过调节Ar气含量将电流调至30~100mA,石墨烯样品与靶材间距为2~30cm,然后溅射10~120秒,溅射次数不限。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(1)中,采用磁溅射对石墨烯粉体改性,条件为:单次操作石墨烯粉体质量为10mg~100g,磁控溅射仪抽真空至1×10-2 Torr ~5×10-2 Torr后通入Ar气,电源输出功率为10~200W,石墨烯样品与靶材间距为2~30cm,溅射气压0.1~5Pa,溅射时间10~120秒,溅射次数不限。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(2)中,所述超声条件为:频率25 kHz以上,功率400 W以上,时间为0.5小时以上。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述石墨烯硫酸铜悬浮液中,硫酸铜浓度为5~200g/L,石墨烯浓度为0.01~1mg/mL。
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