CN111302331A - 一种制备石墨烯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备石墨烯的方法，首先制备纳米多孔金，简称为NPG。再将NPG薄片进行催化甲烷CH4热解反应，使用加热芯片收集超纯水中的NPG薄片，将该加热芯片组装到原位TEM气相系统中。系统先在常压下用惰性气体冲洗，然后引入CH4气体，随后以10～30℃min–1的加热速率加热升高至300～500℃，加速电压为120～300kV，发生催化现象，石墨烯在NPG表面上从甲烷裂解而得的非晶碳中生长出来。本发明石墨烯的生长过程是一种新的石墨烯制备方法，可补充石墨烯生长机理的研究，从而为合成高质量的石墨烯提供指导。
Description
技术领域
本发明是关于石墨烯的，特别涉及一种在纳米多孔金属上通过催化反应制备石墨烯的方法
背景技术
石墨烯因其独特的性质而受到学术界和企业界的广泛关注。在众多制备方法中，有一类广泛应用的方法是以金属单晶或金属薄膜为催化剂，包括贵金属Au、Ir和Ru,以及非贵金属Fe、Cu等，在其表面上暴露并高温分解甲烷、乙烯等含碳化合物而获得碳原子，并使碳原子沉积在催化剂或衬底表面、形成大面积均匀连续的石墨烯层。目前，利用不同的金属衬底催化含碳气体生长石墨烯，主要有两种生长过程：“偏析加沉淀”过程和“表面吸收”过程。然而，在不同的金属衬底上，石墨烯的生长过程会有很大的不同，对石墨烯生长过程的研究会促进人们对石墨烯的认识。因此有必要探索一种在金属衬底上生长制备石墨烯的新方法。
甲烷热解是一种提供碳原子的通用型方法，其旨在高温条件下，将甲烷气体通入金属催化剂基底的环境中，甲烷气体发生分解反应，提供碳原料，获得非晶碳。基于此，发明一种将甲烷裂解所得的非晶碳催化生长为石墨烯的方法，是本专利的核心思想。
发明内容
本发明的目的，是鉴于石墨烯在不同的金属衬底上，其生长过程有很大不同，因此，本发明提供一种在纳米多孔金属衬底的表面上利用甲烷热解生长石墨烯的新方法。
本发明采用将纳米多孔金属置于气相加热芯片上，在气相加热系统中，甲烷气体在高温下会受到纳米多孔金的催化，从而裂解产生了非晶碳。非晶碳被催化生成了石墨烯碎片，发生了重复的断裂生长的周期性过程，最终形成完整的石墨烯层。
一种制备石墨烯的方法，具体步骤如下：
(1)利用脱合金方法制备纳米多孔金，简称为NPG
将Au-Ag合金薄膜在恒温水浴25℃下的浓HNO3中进行去合金化45min，取出脱合金薄膜，然后将脱合金薄膜浸入超纯水中60min，制备出NPG薄片；
(2)将步骤(1)制备的NPG薄片进行催化甲烷热解反应
使用加热芯片收集超纯水中的NPG薄片，将该加热芯片组装到原位TEM气相系统中，整个气体系统先在常压下用惰性气体冲洗40min，然后引入CH4气体，随后以10～30℃min–1的加热速率加热升高至300～500℃，加速电压为120～300kV，发生明显的催化现象；期间，石墨烯在NPG表面上从甲烷裂解而得的非晶碳中生长出来；
加热芯片作为载体，也可以是气相芯片或者是载玻片；
上述石墨烯层可以是单层也可以是多层的，可以部分区域存在也可以大面积存在。
所述步骤(1)制备的NPG也可以通过电化学法或模板法获得。
所述步骤(2)的惰性气体为氮气或者氩气。
本发明制得的石墨烯，它的生长过程不同于“偏析加沉淀”过程和“表面吸收”过程，而是在非晶碳中重复的断裂生长的周期性过程，最终形成完整的石墨烯层。该石墨烯的生长过程是一种新的石墨烯制备方法，并有望补充石墨烯生长机理的研究，从而为合成高质量的石墨烯提供指导。
附图说明
图1是实施例1的NPG透射电子显微镜图片；
图2是实施例1在石墨烯开始重复的断裂和生长过程的高分辨图像；
图3是实施例1在0.0125s石墨烯重复的断裂和生长过程的高分辨图像；
图4是实施例1在0.025s石墨烯重复的断裂和生长过程的高分辨图像；
图5是实施例1在0.0375s石墨烯重复的断裂和生长过程的高分辨图像。
具体实施方式
下面通过以下具体实施例来进一步说明本发明，实施例仅仅是示例性的，而非限制性的。
实施例1
(1)使用脱合金法制备纳米多孔金，简称NPG(nanoporous gold)
将厚度为100nm的12Ka Au-Ag合金薄膜在恒温水浴25℃下的浓HNO3中进行去合金化45min，取出脱合金薄膜，然后将脱合金薄膜浸入超纯水中60min,制备出韧带宽度为50nm的NPG。图1是实施例1的NPG透射电子显微镜图片，可以看出制备的纳米多孔金韧带宽度在50nm左右。
(1)将步骤(1)制备的NPG进行催化甲烷(CH4)热解反应
使用加热芯片收集超纯水中的NPG片，将具有50nm三维结构的NPG碎片平均分布在气相加热芯片上，将该芯片组装到原位TEM(这里所用加速电压为200kv)气相系统中。整个气体系统先在常压下用氩气冲洗40min，然后引入CH4气体。随后以30℃min–1的加热速率加热升高至500℃(发生明显的催化现象)，甲烷气体在高温下会发生受到催化剂的催化，从而裂解产生了非晶碳、即一种碳源，高温下的这种碳源被催化生成了石墨烯碎片，它们附着在NPG表面。利用原位电镜我们观察到石墨烯在NPG表面的生长过程，内侧的两段石墨烯层连接完成，最外侧的石墨烯碎片未连接完全，如图2所示，我们以此时的观察时间为起始时间。反应经过0.0125s后，我们发现了最内侧的石墨烯层发生了断裂，如图3所示。反应时间到0.025s时，最内侧和最外侧的石墨烯碎片开始连接成片段，如图4所示。反应到0.0375s时，最内侧的片段又开始断裂，如图5所示。石墨烯在NPG衬底上的生长是重复的断裂生长周期性过程，最终形成完整的石墨烯层。
Claims (3)
1.一种制备石墨烯的方法，具体步骤如下：
(1)利用脱合金方法制备纳米多孔金，简称为NPG
将Au-Ag合金薄膜在恒温水浴25℃下的浓HNO3中进行去合金化45min，取出脱合金薄膜，然后将脱合金薄膜浸入超纯水中60min，制备出NPG薄片；
(2)将步骤(1)制备的NPG薄片进行催化甲烷热解反应
使用加热芯片收集超纯水中的NPG薄片，将该加热芯片组装到原位TEM气相系统中，整个气体系统先在常压下用惰性气体冲洗40min，然后引入CH4气体，随后以10～30℃min–1的加热速率加热升高至300～500℃，加速电压为120～300kV，发生明显的催化现象；期间，石墨烯在NPG表面上从甲烷裂解而得的非晶碳中生长出来；
加热芯片作为载体，也可以是气相芯片或者是载玻片；
上述石墨烯层可以是单层也可以是多层的，可以部分区域存在也可以大面积存在。
2.根据权利要求1所述的一种制备石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤(1)制备的NPG也可以通过电化学法或模板法获得。
3.根据权利要求1所述的一种制备石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤(2)的惰性气体为氮气或者氩气。
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| CN202010112714.7A CN111302331A (zh) | 2020-02-24 | 2020-02-24 | 一种制备石墨烯的方法 |
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Publications (1)
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Country Status (1)
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN110777380A (zh) * | 2019-11-06 | 2020-02-11 | 天津理工大学 | 一种扩大纳米多孔金熔化点和凝固点范围的方法 |
| CN110787796A (zh) * | 2019-11-06 | 2020-02-14 | 天津理工大学 | 一种具有规则表面纳米多孔金属的制备方法 |
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2020
- 2020-02-24 CN CN202010112714.7A patent/CN111302331A/zh active Pending
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