CN112921389A - 一种铜箔表面预处理用电化学抛光液及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铜箔表面预处理用电化学抛光液及其应用,以质量份数计,所述电化学抛光液的组分包括:磷酸50~200份、硫酸或/和盐酸22~48份、粘度调节剂10~20份、去离子水20~30份。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜箔表面预处理用电化学抛光液及其应用,具体涉及一种利用化学酸洗和上述电化学抛光液的电化学抛光协同处理铜箔的方法。
背景技术
化学气相沉积(CVD)法可以在高温低压环境下,通过对碳原子分解和沉积过程的设计与控制,在特定催化剂基底表面上实现石墨烯的结构和层数的有效调控,其中铜箔基底因具有超低碳溶解度,且具有与石墨烯材料相似的导热系数,已经成为CVD法制备石墨烯工艺中最常见的催化剂材料之一。
在CVD生长石墨烯过程中,基底(例如铜箔)的表面是石墨烯的成核和生长区域。成核过程,碳原子会优先在自由能较高的缺陷和杂质位置成核,因此基底表面的形貌特征,如粗糙度,缺陷,晶粒大小及晶面取向等,将直接影响生长出的石墨烯的质量和尺寸。对基底进行预处理可显著降低基底表面的缺陷及杂质含量,有利于石墨烯成核和后续生长。
现有技术中,一般采用化学酸洗或电化学抛光处理对铜箔基底进行抛光处理。其中,化学酸洗仅是对铜箔基底的初步腐蚀,其所得表面平整度很低。对于电化学腐蚀而言,一般都单独采用磷酸、醋酸、盐酸、硫酸等体系直接对铜箔进行电化学抛光处理:一方面其难以实现对铜箔表面划痕、凹坑等缺陷的处理;另一方面,由于其抛光液体系中离子浓度迁移速度快,在对铜箔抛光过程中,过快的电解导致抛光不均匀,不能起到抛光作用,难以提高其平整度。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的在于提供一种全新的铜箔表面预处理用电化学抛光液及其应用。
第一方面,本发明提供了一种铜箔表面预处理用电化学抛光液,以质量份数计,所述电化学抛光液的组分包括:磷酸50~200份、硫酸或/和盐酸22~48份、粘度调节剂10~20份、去离子水20~30份。
在本公开中,将磷酸溶液、以及硫酸或/和盐酸和粘度调节剂进行混合调节所得电化学抛光液。其中,特定含量的粘度调节剂的加入使得电化学抛光液具有一定粘度,降低了抛光液中的离子迁移速度,最终降低了电化学抛光的速度,使得铜箔表面电化学抛光时实现原子级别光滑成为了可能。由于在磷酸溶液中直接加入粘度调节剂,溶液中离子迁移变慢,使得其金属离子产生的速率大于离子扩散的速率,使抛光过程可以稳定均匀的进行。
较佳的,所述粘度调节剂选自聚乙二醇、丙三醇、尿素和醚中的至少一种。
较佳的,所述电化学抛光液的组分包括:磷酸50~200份、硫酸20~40份、盐酸2~8份、聚乙二醇5~10份、丙三醇5~10份、去离子水20~30份。
较佳的,所述电化学抛光液中还包含去泡剂;所述去泡剂选自磷酸三丁酯、二甲基硅油中的至少一种;所述去泡剂的加入量为1~5份,优选为1份。由于在铜箔的电化学抛光的过程中,时间过长,正极会出现大量的气泡难以进行多次利用,可以通过滴加微量的去泡剂(例如,磷酸三丁酯、二甲基硅油等)来消除这一现象,显著增加了电化学抛光液的循环利用的次数,极大程度上降低了成本。
较佳的,所述电化学抛光液的组分包括:磷酸100份、硫酸30份、盐酸5份、聚乙二醇8份、丙三醇5份、去离子水25份,磷酸三丁酯1份。
第二方面,本发明提供了一种铜箔表面预处理的方法,利用铜箔同时作为正极和负极,采用酸洗和电化学抛光结合的方式对铜箔表面进行抛光处理,以制备得到具有原子级光滑的平整表面的铜箔;所述电化学抛光所用抛光液为上述的电化学抛光液。
在本发明中,首先通过酸洗的过程去除铜箔表面的划痕,氧化膜、凹坑等大的表面缺陷。再利用上述电化学抛光液对其进行电化学抛光,使得铜箔表面能够达到具有原子级光滑的平整。
较佳的,所述铜箔的厚度为30~100μm。
较佳的,所述酸洗为采用酸洗钝化膏或酸洗液进行清洗;优选地,将酸洗钝化膏涂覆在铜箔表面后,进行擦洗,擦洗时间为1~5分钟;以质量份数计,所述酸洗液的组分包括:硝酸3~5份,盐酸4~8份,聚乙二醇1份,去离子水1~10份。
较佳的,所述电化学抛光的电压为4~8V,电化学抛光时间为8~12分钟,电极间的距离5~10cm。
又,较佳的,在电化学抛光完成之后,将所得铜箔放入质量分数为5%~15%的硫酸中清洗10~60秒。在电化学抛光完成之后,负极铜箔上会生成铜泥,可通过该清洗步骤来解决这一问题。
第三方面,本发明提供了一种根据上述的方法制备的铜箔。
第四方面,本发明提供了一种上述所得铜箔在CVD生长石墨烯材料中的应用。
有益效果:
本发明中,电化学抛光液原料组成简单,为实现原子级别光滑提供了可能;
本发明中,选用商业上普通铜箔为原料,降低了对特殊铜箔购买的成本问题,就可以制备原子级光滑的平整表面;
本发明中,进一步选用化学酸洗和电化学抛光相结合的预处理方法,快速方便实现铜箔基底催化剂表面的光滑预处理;
本发明中,铜箔表面预处理的方法比较简单易行,易于大规模工业化推广。
附图说明
图1为原始的铜箔表面的SEM图;
图2为实施例1中采用酸洗钝化膏处理和电化学抛光共同处理得到的铜箔样品的光学显微镜照片;
图3为实施例2中采用酸洗液处理和电化学抛光共同处理得到的铜箔样品的光学显微镜照片;
图4为采用实施例1中处理的铜箔生长石墨烯后的SEM图,从图中可知生长了微米级的大单晶石墨烯;
图5为采用实施例1中处理的铜箔生长石墨烯后的拉曼光谱图,从图中可知石墨烯G峰和2D较强,说明石墨化程度和结晶度非常好,得到的几乎为单层石墨烯,另外D峰较低,说明缺陷较少(图5为图4中A区域进行拉曼测试的结果);
图6为实施例3中处理的铜箔样品的光学显微镜照片;
图7为实施例4中处理的铜箔样品的光学显微镜照片;
图8为实施例5中处理的铜箔样品的光学显微镜照片;
图9为实施例6中处理的铜箔样品的光学显微镜照片;
图10为对比例1中处理的铜箔样品的光学显微镜照片;
图11为对比例2中处理的铜箔样品的光学显微镜照片;
图12为对比例3中处理的铜箔样品的光学显微镜照片。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明,应理解,下述实施方式仅用于说明本发明,而非限制本发明。
在本公开中,铜箔表面预处理用电化学抛光液的组分(以质量份数计)包括:磷酸50~200份、硫酸或/和盐酸22~48份、粘度调节剂10~20份、去离子水20~30份。其中粘度调节剂可为聚乙二醇、丙三醇、尿素和醚等。将上述组分混合,制备得到的混合液便是铜箔表面预处理用电化学抛光液。若是不加入硫酸或/和盐酸,所得电化学抛光液不能够提供一个含H+浓度较高的酸性溶液,达不到预期的抛光效果。若是加入过量硫酸或/和盐酸,所得电化学抛光液中H+浓度过高,在电抛光过程中不能够发挥扩散作用控制,会造成过度腐蚀现象。若是不加入粘度调节剂,所得电化学抛光液在电抛光过程中溶液对流过快,同样会造成过腐蚀现象。若是加入过量粘度调节剂,所得电化学抛光液粘度过大,溶液阻力较大,表面同样起不到抛光效果。
在可选的实施方式中,电化学抛光液为由(50~200份)磷酸、(20~40份)硫酸、(2~8份)盐酸、(5~10份)聚乙二醇、(5~10份)丙三醇及(20~30份)去离子水的混合溶液。进一步优选,在电化学抛光液优选加入去泡剂,优选为磷酸三丁酯和二甲基硅油。去泡剂的份数为1~5份,例如1份。加入去泡剂后,所得电化学抛光液两极气泡以及溶液中的微气泡明显减少,增加了溶液的利用效率,大幅度的节约成本。具体来说,在电化学抛光液中其他组份和含量基本一致的前提下,不加入去泡剂的电化学抛光液在处理第5或6片铜箔及以上时,就不能实现原子级光滑的抛光效果;含有去泡剂电化学抛光液在实现原子级光滑的抛光效果的前提下,所处理的铜箔的数量高达二十片以上。
作为一个电化学抛光液组分的示例,电化学抛光液按磷酸100g为计量、磷酸100g、硫酸30g、盐酸5g、聚乙二醇8g、丙三醇5g、去离子水25g和磷酸三丁酯1g。
本发明一实施方式中,利用化学酸洗(即酸洗)和上述所得抛光液进行电化学抛光相结合的方法对铜箔催化剂进行表面处理,最终得到具有原子级光滑的平整表面的铜箔。本发明方法简单易行,易于大规模工业化推广。以下示例性地说明本发明中铜箔的表面预处理的方法。
化学酸洗主要为酸洗钝化膏或酸洗液。酸洗钝化膏化学酸洗过程为表面擦洗方式,擦洗时间为1~5分钟。所述酸洗钝化膏为市售无色透明的膏体(盖德和凯盟洗钝化膏)。酸洗液化学酸洗过程为浸渍方式,酸洗时间为1~5分钟。所述酸洗液为(3~5份)硝酸,(4~8份)盐酸,(1份)聚乙二醇,(1)10份)去离子水的混合溶液。较优的比例为硝酸20mL,盐酸30mL,聚乙二醇5mL,去离子水45mL。本发明中,所述原始铜箔普通商业用铜箔,厚度可为30~100μm。化学酸洗完成后,可用去离子水冲洗、氮气吹干。
采用电化学抛光进一步处理酸洗后的铜箔。其中,电化学抛光为在抛光液中对多晶铜箔进行电抛光处理。所述电化学抛光电压为4~8V(例如,8V),电化学抛光时间可为8~12min,电极距离可为5~10cm。
优选,在电化学抛光完成之后,采质量分数为5~15%(例如,10%)H2SO4溶液和去离子进行冲洗、氮气吹干,得到具有原子级光滑的平整表面的铜箔催化剂。
本发明中,以商业普通铜箔作为原料,解决了以往铜箔复杂难处理以及特殊的铜箔基底价格昂贵的问题,通过一个非常简单的方法,实现铜箔基底表面的光滑处理,对后续石墨烯的质量起着至关重要的作用。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解,以下实施例只用于对本发明进行进一步说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例,即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择,而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
按磷酸100g、硫酸30g、盐酸5g、聚乙二醇8g、丙三醇5g、去离子水25g、磷酸三丁酯1g的比例配制,得到电化学抛光液;
将准备好的铜箔(2cm×10cm)先用去离子水清洗,然后用取适量的酸洗钝化膏涂于百洁布上对铜箔进行反复擦拭两分钟,最后用去离子水冲洗干净,氮气吹干;
将酸洗钝化膏处理的铜箔进行电化学抛光处理。控制正负极都为酸洗钝化膏处理的铜箔,其正负极的间距为5~10cm,抛光电压8V,抛光时间8分钟;
电化学抛光后放入10%H2SO4溶液中清洗,时间为50秒,最后用去离子水清洗干净,氮气吹干,得到具有原子级光滑的平整表面的铜箔;
将所得铜箔用于CVD法生长石墨烯,所述CVD法的参数包括:Ar=200sccm,H2=100sccm,CH4=10sccm,生长时间15min。
实施例2
按磷酸100g、硫酸30g、盐酸5g、聚乙二醇8g、丙三醇5g、去离子水25g、磷酸三丁酯1g的比例配制,得到电化学抛光液;
将准备好的铜箔(2cm×10cm)先用去离子水清洗,然后放入配制好的酸洗液(硝酸20mL,盐酸30mL,聚乙二醇5mL,去离子水45mL)中,酸洗时间为2分钟,最后捞出,并用去离子水冲洗干净,氮气吹干;
将酸溶液处理后的铜箔进行电化学抛光处理。控制正负极都为酸溶液处理后的铜箔,电极的间距5-10cm,抛光电压8V,抛光时间8min。电化学抛光后放入10%H2SO4溶液中清洗,时间为50秒,最后用去离子水清洗干净,氮气吹干,得到具有原子级光滑的平整表面的铜箔。
对上述处理后的铜箔进行表面形貌观察,结果如图2所示,图2是经过酸洗钝化膏和电化学抛光的铜箔表面,图3是经过酸洗液和电化学抛光的铜箔表面。通过比较发现,图1中原始铜箔表面由很多条纹和缺陷的存在,经过表面预处理后,所得铜箔表面已经非常的光滑平整,已达到原子级别(参见图2和图3)。
实施例3
将实施例1中电化学抛光液进行重复利用,在制备到第18~20片铜箔时,其抛光效果仍能达到原子级别的光滑。如图6所示,其为处理的第20片的铜箔样品的光学显微镜照片。
实施例4
本实施例4中铜箔的表面预处理的过程和实施例1基本一致,区别在于:按磷酸100g、硫酸30g、盐酸5g、聚乙二醇8g、丙三醇5g、去离子水25g的比例配制,得到电化学抛光液。所得铜箔表面的平整度依旧能够达到原子级别光滑,参见图7。
实施例5
将实施例4中电化学抛光液进行重复利用,在制备到第5~6片铜箔时,所得铜箔表面光亮度不够,而且出现雾化以及结晶等问题,其抛光效果难以达到原子级别的光滑。如图8所示,其为处理的第6片的铜箔样品的光学显微镜照片。
实施例6
本实施例6中铜箔的表面预处理的过程和实施例1基本一致,区别在于:按磷酸100g、硫酸25g、盐酸5g、聚乙二醇10g、丙三醇5g、磷酸三丁酯2g,去离子水30g的比例配制,得到电化学抛光液。所得铜箔表面的平整度达到原子级别光滑,参见图9。
对比例1
本对比例1中铜箔的表面预处理的过程和实施例1基本一致,区别在于:按磷酸100g和去离子水25g的比例配制,得到电化学抛光液。所得铜箔表面存在很多缺陷,像结晶、过抛等问题,使由于在抛光过程中溶液浓度较低,金属离子溶解速度较快,造成阳极区积累过多,造成结晶现象;当结晶发生时增加了铜箔的表面阻抗,使电抛光难以进行,参见图10。
对比例2
本对比例2中铜箔的表面预处理的过程和实施例1基本一致,区别在于:按磷酸100g、聚乙二醇8g、丙三醇5g、磷酸三丁酯1g和去离子水25g的比例配制,得到电化学抛光液。所得铜箔表面依然存在很多斑点凹坑,产生的过腐蚀现象,没有起到很好的抛光效果,参见图11。
对比例3
本对比例3中铜箔的表面预处理的过程和实施例1基本一致,区别在于:按磷酸100g、硫酸30g、盐酸5g、磷酸三丁酯1g和去离子水25g的比例配制,得到电化学抛光液。所得铜箔表面有严重的腐蚀现象,参见图12。
Claims (11)
1.一种铜箔表面预处理用电化学抛光液,其特征在于,以质量份数计,所述电化学抛光液的组分包括:磷酸 50~200份、硫酸或/和盐酸 22~48份、粘度调节剂10~20份、去离子水 20~30份。
2.根据权利要求1中所述的电化学抛光液,其特征在于,所述粘度调节剂选自聚乙二醇、丙三醇、尿素和醚中的至少一种。
3.根据权利要求2中所述的电化学抛光液,其特征在于,所述电化学抛光液的组分包括:磷酸 50~200份、硫酸20~40份、盐酸 2~8份、聚乙二醇5~10份、丙三醇5~10份、去离子水 20~30份。
4.根据权利要求1-3中任一项中所述的电化学抛光液,其特征在于,所述电化学抛光液中还包含去泡剂;所述去泡剂选自磷酸三丁酯和二甲基硅油中的至少一种;所述去泡剂的加入量为1~5份,优选为 1份。
5.根据权利要求4中所述的电化学抛光液,其特征在于,所述电化学抛光液的组分包括:磷酸100份、硫酸30份、盐酸5份、聚乙二醇8份、丙三醇5份、去离子水25份,磷酸三丁酯1份。
6.一种铜箔表面预处理的方法,其特征在于,采用酸洗和电化学抛光结合的方式对铜箔表面进行抛光处理,以制备得到具有原子级光滑的平整表面的铜箔;所述电化学抛光所用抛光液为权利要求1-5中任一项所述的电化学抛光液。
7.根据权利要求6中所述的方法,其特征在于,所述铜箔的厚度为30~100μm。
8.根据权利要求6或7所述的方法,其特征在于,所述酸洗为采用酸洗钝化膏或酸洗液进行清洗;优选地,将酸洗钝化膏涂覆在铜箔表面后,进行擦洗,擦洗时间为1~5分钟;以质量份数计,所述酸洗液的组分包括:硝酸3~5份,盐酸4~8份,聚乙二醇1份,去离子水1~10份。
9.根据权利要求6-8中任一项中所述的方法,其特征在于,所述电化学抛光的电压为4~8V,电化学抛光时间为8~12分钟,电极间的距离5~10 cm;优选地,在电化学抛光完成之后,将所得铜箔放入质量分数为5~15%的硫酸中清洗10~60秒。
10.一种根据权利要求6-9中任一项所述的方法制备的铜箔。
11.一种如权利要求10所述的铜箔在CVD生长石墨烯材料中的应用。
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