CN108793130A - 喷雾法制备石墨烯的方法 - Google Patents

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李家俊
韩铁龙
何春年
赵乃勤
师春生
刘恩佐
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    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182—Graphene
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Abstract

本发明涉及一种利用喷雾法制备石墨烯的新方法：将硝酸铜、葡萄糖、氯化钠三者以一定的摩尔比例混合后溶于水并搅拌均匀，之后利用喷雾干燥机在130‑180度条件下喷出干燥，即得到氯化钠、葡萄糖和硝酸铜自组装结构的前驱体；将制得的自组装结构的前驱体粉末于730‑760摄氏度，氩气与氢气1:1条件下管式炉中煅烧2小时，之后洗去氯化钠并干燥即得到表面负载铜颗粒的石墨烯结构。本方法所用原材料廉价易得，并且可以实现宏量制备；其次我们同时实现了在石墨烯表面负载铜颗粒。

Description

喷雾法制备石墨烯的方法
技术领域
本发明涉及一种利用喷雾干燥和化学气相沉积法结合一步实现石墨烯的生长和铜颗粒的表面负载的方法，属于石墨烯的制备领域。
背景技术
自从2004年,英国的科学家Geim和Morozov通过机械剥离法制得了单层石墨烯之后，人们便对石墨烯展开了大量的研究。石墨烯具有单原子层的二维晶体结构,它的特殊结构使其具有优异的物理性能和力学性能。石墨烯的理论比表面积高达2630m2/g，它的强度的是已知的材料中最高的,可以达到130GPa,是钢材料的100多倍；杨氏模量1100GPa,与一维碳纳米管相当。石墨烯理论载流子迁移率为15000cm2V-1s-1,是目前已知的载流子迁移率最高的的锑化铟材料的两倍,是商用硅片的10倍多；热导率为5000W·m-1·K-1,是金刚石的3倍，因此石墨烯被誉为金属基复合材料的理想增强体。
目前石墨烯的制备方法主要有微机械剥离法，液相剥离法,CVD法,SiC热解法,氧化石墨烯还原法。微机械剥离法和液相剥离法就是利用机械力的作用将原始鳞片石墨剥离开，这种方法耗时耗能较多，很难得到单层的石墨烯。CVD法和SiC热解法则是利用碳源分解沉积形成石墨烯，这种方法生产效率很低，很难用于石墨烯的产业化应用。对于目前的研究来说，应用最为成熟也最为方便的就是氧化石墨烯还原法制备石墨烯。氧化石墨还原法是通过将天然石墨进行氧化处理并超声分散，得到由表面和边缘含有大量含氧基团的氧化石墨烯片组成的氧化石墨烯溶液，随后通过热还原法或化学还原法去除氧化石墨烯片层表面和边缘的含氧集团，最终得到石墨烯的方法，这种方法得到的石墨烯仍然存在一定的结构缺陷，在导电性方面不如用CVD方法得到的性能好，而且耗时多步骤繁琐，需要大量的化学试剂。
在此之前，我们利用氯化钠作为模板采用冻干工艺加化学气相沉积的方法制备出了表面负载铜的石墨烯，而现在我们采用一种更加高效的喷雾干燥的方法代替冻干并成功地制备出了负载铜的石墨烯粉末。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单易行的能够大量制备石墨烯的制备方法。该方法能够快速稳定地制备石墨烯并且在其表面均匀地负载铜颗粒，该方法过程简单，所制得的石墨烯和铜结合性良好。为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案加以实现的，
一种喷雾法制备石墨烯的方法；其特征包括以下过程：
(1)喷雾法制备自组装前驱体：
将硝酸铜、葡萄糖、氯化钠三者以一定的摩尔比例混合后溶于水并搅拌均匀，之后利用喷雾干燥机在130-180度条件下喷出干燥，即得到氯化钠、葡萄糖和硝酸铜自组装结构的前驱体，用于下一步的化学沉积过程。
(2)石墨烯结构的生成
将步骤(1)制得的自组装结构的前驱体粉末于730-760摄氏度，氩气与氢气1:1条件下管式炉中煅烧2小时，之后洗去氯化钠并干燥即得到表面负载铜颗粒的石墨烯结构。
优选地，步骤(1)中，硝酸铜和葡萄糖的摩尔比例范围为1:1-1:3，硝酸铜和氯化钠的摩尔比例范围为1:150-1:300。硝酸铜、葡萄糖、氯化钠的摩尔比可以为1:1.5:280或1:1.5:186。
步骤(2)中，步骤(2)煅烧温度选择为750摄氏度，氢气与氩气的流量比为50:50ml/min。
本发明具有以下优点：首先本方法所用原材料廉价易得，方法也相对简单，相对于还原氧化石墨烯的方法和机械剥离的方法更加节约成本并且可以实现宏量制备；其次我们同时实现了在石墨烯表面负载铜颗粒，大大提高了石墨烯和金属基体之间的润湿性和结合性，更加适合于用作金属基复合材料增强体；本方法可以通过调控不同的比例来调控铜的含量以及石墨烯的形貌，可以应该应用于不同的场合。本发明采用喷雾干燥法和化学气相沉积法结合实现了石墨烯的宏量制备，得到的石墨烯表面铜颗粒负载均匀结合牢固，石墨烯结晶性较好，在金属基复合材料的增强体等方面的应用有着较好的前景。
附图说明
图1a为实施例1中负载铜的石墨烯的扫描电镜照片。
图1b为实施例1中负载铜的石墨烯的透射电镜照片。
图1c为实施例1中得到的负载铜的石墨烯应用于铝基复合材料中后的应力应变曲线。
图1d为实施例1中得到的负载铜的石墨烯的热重表征。
图2a为实施例2中负载铜的石墨烯的扫描电镜照片。
图2b为实施例2中负载铜的石墨烯的拉曼测试结果。
图3为实施例3中得到的负载铜的石墨烯的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明，这些实施例只用于说明本发明，并不限制本发明。
实施例1
将硝酸铜，葡萄糖和氯化钠混合溶去离子水中搅拌均匀(三者摩尔比为1:2.5:280)。之后将均匀的混合溶液在140度的条件下喷雾干燥，得到自组装的前驱体粉末，经过750度氢气/氩气(氢气和氩气流量均为50ml/min)条件煅烧两个小时，之后用去离子水洗去氯化钠并真空干燥，即得到表面均匀负载铜的石墨烯结构。得到的负载铜的石墨烯的SEM照片和TEM照片分别见图1a和图1b，将得到的负载铜的石墨烯应用于铝基复合材料中得到的应力应变曲线见图1c,热重表征见图1d。
实施例2
将硝酸铜，葡萄糖和氯化钠混合溶于去离子水中搅拌均匀(三者摩尔比为1:1.5:200)。之后将均匀的混合溶液在140度的条件下喷雾干燥，得到自组装的前驱体粉末，经过750度氢气/氩气(氢气和氩气流量均为100ml/min)条件煅烧两个小时，之后用去离子水洗去氯化钠并真空干燥，即得到表面均匀负载镍的石墨烯结构。得到的负载铜的石墨烯SEM形貌见图2a,拉曼表征见图2b。
实施例3
将硝酸铜，葡萄糖和氯化钠混合溶于去离子水中搅拌均匀(三者摩尔比为1:1:280)。之后将均匀的混合溶液在150度的条件下喷雾干燥，得到自组装的前驱体粉末，经过730度氢气/氩气(氢气氩气流量均为100ml/min)条件煅烧两个小时，之后用去离子水洗去氯化钠并真空干燥，即得到表面均匀负载镍的石墨烯结构。得到的石墨烯的SEM形貌见图3。

Claims (4)

1.一种喷雾法制备石墨烯的方法；其特征包括以下过程：
(1)喷雾法制备自组装前驱体：
将硝酸铜、葡萄糖、氯化钠三者以一定的摩尔比例混合后溶于水并搅拌均匀，之后利用喷雾干燥机在130-180度条件下喷出干燥，即得到氯化钠、葡萄糖和硝酸铜自组装结构的前驱体，用于下一步的化学沉积过程。
(2)石墨烯结构的生成
将步骤(1)制得的自组装结构的前驱体粉末于730-760摄氏度，氩气与氢气1:1条件下管式炉中煅烧2小时，之后洗去氯化钠并干燥即得到表面负载铜颗粒的石墨烯结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，硝酸铜和葡萄糖的摩尔比例范围为1:1-1:3，硝酸铜和氯化钠的摩尔比例范围为1:150-1:300。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，硝酸铜、葡萄糖、氯化钠的摩尔比为1:1.5:280或1:1.5:186。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，步骤(2)煅烧温度选择为750摄氏度，氢气与氩气的流量比为50:50ml/min。
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