CN106994347B - 一种制备方形铜纳米粒子-石墨烯-泡沫镍材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制备方形铜纳米粒子‑石墨烯‑泡沫镍复合材料的方法，主要包括以下工艺步骤：1.用化学气相沉积法(CVD)在泡沫镍基体上生长一层石墨烯，制备出石墨烯‑泡沫镍基体，2.将上述石墨烯‑泡沫镍基体材料直接浸入CuSO4溶液中，让其置换反应1‑1.5h即得到方形铜纳米粒子‑石墨烯‑泡沫镍复合材料。所制备的铜纳米粒子均匀分布在三维骨架石墨烯表面不易团聚,尺寸均一，充分利用石墨烯、铜粒子各自优异的电学、催化和传感等性能的协同效应，所制备的复合材料反应活性位点多、比表面积大、生物相容性好、导电性好，在催化、生物传感、环境保护、表面增强拉曼散射、能源等领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明提供了一种新型的、非常简易地制备方形铜纳米粒子-石墨烯-泡沫镍复合材料的方法，属于材料化学制备技术领域。
背景技术
贵金属纳米粒子(金、银、铂、钯)由于其具有良好的电学性能、化学性能、催化性能等而被广泛研究，石墨烯由于其高的比表面积、高的导电性和优异的化学稳定性成为负载金属粒子的理想载体。利用两者的协同效应使得复合材料具有优异的催化、电化学传感和气体传感等性能。然而贵金属储量有限，非贵金属铜纳米粒子被发现具有较好的催化、传感性能，用以替代贵金属纳米粒子，目前已经实现了还原氧化石墨烯和铜纳米粒子的复合用于催化，传感等领域。但是化学法制备的还原氧化石墨烯/铜纳米粒子复合材料大多是以溶液、粉末、气凝胶的形式存在，难以回收再利用。而且其导电性、机械性能也不如CVD法制备的石墨烯。目前，CVD法制备的石墨烯和非贵金属铜纳米粒子的复合结构也有报道，但是其制备往往使用各种化学试剂对无官能团的CVD石墨烯表面进行修饰，再进行连接剂连接，工艺步骤复杂，铜粒子表面还有表面修饰剂包附，由此降低了铜纳米粒子的性能。本方法一步成形，直接将CVD法制备的石墨烯-泡沫镍浸入CuSO4溶液中进行置换反应，制备出新型的铜纳米粒子-石墨烯-泡沫镍复合材料，工艺简单,成本低，重复性强，绿色环保，复合产物均匀稳定。所制备的方形铜纳米粒子均匀分布在三维骨架石墨烯表面不易团聚,充分利用石墨烯、铜粒子各自优异的电学、催化和传感等性能的协同效应，所制备的复合材料反应活性位点多、粒子尺寸均一、比表面积大、生物相容性好、导电性好，在催化、生物传感、环境保护、表面增强拉曼散射、能源等领域具有广泛的应用前景。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种制备方形铜纳米粒子-石墨烯-泡沫镍复合材料的方法，该方法直接将覆盖上石墨烯的泡沫镍浸入CuSO4溶液中进行置换反应，制备出尺寸和分布都均匀的方形铜纳米粒子。本方法没有复杂的工艺步骤和各种化学试剂的使用，直接一步成形，成本低、操作简单易行、效率高、可以稳定大量制备。
技术方案：本发明所述的一种制备方形铜纳米粒子-石墨烯-泡沫镍复合材料的方法包括以下步骤：
a.CVD法制备石墨烯-泡沫镍：泡沫镍分别用丙酮、乙醇、去离子水各清洗15-20分钟，以去除表面氧化物层，再用N2吹干；
b.放入炉石英管内抽真空，排除管内的空气，通入Ar和H2，以15℃-20℃/min的速度升温至900℃-1000℃，并在此温度下退火30-40mins；
c.生长石墨烯时通入CH4和H2，生长5-10mins，生长后断开CH4，并快速降温，等炉子冷却到室温后取出样品，得到覆盖上石墨烯的泡沫镍材料；
d.铜粒子-石墨烯-泡沫镍的制备：直接将上述CVD法制备的石墨烯-泡沫镍浸入0.05mM-0.1mM的CuSO4溶液中置换反应1-1.5h就得到方形铜纳米粒子-石墨烯-泡沫镍复合材料。
其中：
步骤b中，通入Ar时间为100-150sccm，通入H2时间为20-50sccm。
步骤c中，通入通入CH4时间为10-15sccm，通入H2时间为50-100sccm。有益效果：本发明实现了铜纳米粒子和石墨烯的复合，充分发挥其各自优异的电学、催化和传感等性能的协同效应。该复合材料采用未去掉泡沫镍骨架的三维石墨烯作为基底材料，克服了去骨架的三维孔洞结构石墨烯宏观强度低、去除基底后易发生坍塌变形甚至断裂等弊端，提高了复合材料的机械性能；减少了去除基底复杂的转移工艺，可实现大批量生产；同时也避免了在去除基底的过程中的一些有毒化学试剂地使用，利于环境保护。未使用任何的修饰剂和表面活性剂作为铜纳米粒子的链接剂，大大减少了工艺步骤，节省了成本，改善了由于修饰剂的使用造成的性能的降低。方法工艺简单，一步成形，操作方便，对技术要求不高，易于实现，环境污染小，可重复性好，为铜纳米粒子-石墨烯-泡沫镍复合材料的制备提供了一种有效方法。
具体实施方式
CVD法制备石墨烯-泡沫镍：采用泡沫镍为基底(面密度为250g1m-2，厚度为1.5mm，尺寸为4-10cm2)，基底分别用丙酮、乙醇、去离子水各清洗15-20分钟，以去除表面氧化物层，再用N2吹干。放入炉石英管内抽真空，排除管内的空气，通入Ar(100-150sccm)和H2(20-50sccm)，以15℃-20℃/min的速度升温至900℃-1000℃，并在此温度下退火30-40mins。生长石墨烯时通入CH4(10-15sccm)和H2(50-100sccm)，生长5-10mins后断开CH4，并快速降温，等炉子冷却到室温后取出样品，得到覆盖上石墨烯的泡沫镍材料；
铜粒子-石墨烯-泡沫镍的制备：直接将上述CVD法制备的石墨烯-泡沫镍浸入0.05mM-0.1mM的25-50ml CuSO4溶液中置换反应1-1.5h就得到铜粒子-石墨烯-泡沫镍复合材料。
Claims (1)
1.一种制备方形铜纳米粒子-石墨烯-泡沫镍复合材料的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
a.CVD法制备石墨烯-泡沫镍：泡沫镍分别用丙酮、乙醇、去离子水各清洗15-20分钟，以去除表面氧化物层，再用N2吹干；
b.放入炉石英管内抽真空，排除管内的空气，通入Ar和H2，以15℃-20℃/min的速度升温至900℃-1000℃，并在此温度下退火30-40mins；
c.生长石墨烯时通入CH4和H2，生长5-10mins，生长后断开CH4，并快速降温，等炉子冷却到室温后取出样品，得到覆盖上石墨烯的泡沫镍材料；
d.铜粒子-石墨烯-泡沫镍的制备：直接将上述CVD法制备的石墨烯-泡沫镍浸入0.05mM-0.1mM的CuSO4溶液中置换反应1-1.5h就得到方形铜纳米粒子-石墨烯-泡沫镍复合材料；
其中，
步骤b中，通入Ar流量为100-150sccm，通入H2流量为20-50sccm，
步骤c中，通入通入CH4流量为10-15sccm，通入H2流量为50-100sccm。
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