一種制備碳納米管陣列?石墨烯混合結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易方法
【專利摘要】一種制備碳納米管陣列?石墨烯混合結(jié)構(gòu)的方法，屬于納米材料及其制備技術(shù)領(lǐng)域。該方法將硅基體放入充滿Ar、N2等惰性氣體氛圍石英管中，通入Ar、N2等惰性氣體并升溫至生長(zhǎng)溫度；然后對(duì)預(yù)先放入石英管內(nèi)的碳源和催化劑的混合物加熱到合適的溫度并向石英管內(nèi)通入一定量的H2，可獲得碳納米管陣列?石墨烯的混合結(jié)構(gòu)。本發(fā)明方法具有制備工藝簡(jiǎn)單，無(wú)須分別生長(zhǎng)碳納米管陣列與石墨烯，可簡(jiǎn)易一步實(shí)現(xiàn)碳納米管陣列?石墨烯混合結(jié)構(gòu)的制備。有效提高了制備碳納米管陣列?石墨烯混合結(jié)構(gòu)的效率，簡(jiǎn)化了生長(zhǎng)流程、縮短了生長(zhǎng)時(shí)間，降低了制備的成本和能耗。
【專利說(shuō)明】
一種制備碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易制備方法，具體說(shuō)，是涉及在簡(jiǎn)易基底上一步法生長(zhǎng)碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳納米管因其獨(dú)特的一維結(jié)構(gòu)具備了優(yōu)異的力學(xué)性能、電學(xué)性能、導(dǎo)熱性能、光學(xué)和儲(chǔ)氫性能等，使其在能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化、復(fù)合材料、多相催化、環(huán)境保護(hù)及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有大量的應(yīng)用潛力。
[0003]石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料。
[0004]三維碳結(jié)構(gòu)材料由于具有優(yōu)異的性能而受到廣泛關(guān)注，由于碳納米管陣列的結(jié)構(gòu)特征使得碳納米管陣列縱向各項(xiàng)性能明顯優(yōu)于橫向各項(xiàng)性能，而石墨烯作為二維材料具有優(yōu)異的平面性能，且碳納米管與石墨烯都均為sp2雜化。因此，將碳納米管陣列與石墨烯結(jié)合起來(lái)構(gòu)造無(wú)縫連接的石墨烯-碳納米管陣列混合結(jié)構(gòu)是發(fā)揮石墨烯與碳納米管各自優(yōu)異性能的重要手段。
[0005]目前常用傳統(tǒng)的制備碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的方法先是在Cu基體上預(yù)先生長(zhǎng)石墨烯，然后將沉積了緩沖層和催化劑顆粒的Si/Si02襯底轉(zhuǎn)移上石墨烯，最后利用CVD法生長(zhǎng)碳納米管陣列(scientific reports 2013,3,1892；carbon 2015,86,358-362)；萊斯大學(xué)的James Tour團(tuán)隊(duì)先在銅基板上覆蓋一層單原子厚度的石墨烯，隨后將其與氧化鋁和鐵催化劑混合，利用CVD法生長(zhǎng)出碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)(NatureCommun.2012,3，1225);魏飛等通過(guò)原位氮摻雜和結(jié)構(gòu)雜化反應(yīng)制備了氮摻雜的碳納米管陣列-石墨烯三明治材料，該方法通過(guò)兩步化學(xué)氣相沉積法(CVD)生長(zhǎng)雙功能催化劑，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的氮摻雜碳納米管陣列和石墨稀的原位生長(zhǎng)與結(jié)構(gòu)雜化(Advanced Materials2014，26(35) ,6100-6105，)。這些方法都不可避免先預(yù)先形成石墨烯層然后生長(zhǎng)成納米管陣列-石墨稀混合結(jié)構(gòu)，其中在轉(zhuǎn)移石墨稀的過(guò)程中不可避免會(huì)對(duì)石墨稀層造成損傷，此外還存在多步驟生長(zhǎng)流程、參數(shù)復(fù)雜等缺點(diǎn)。本發(fā)明方法具有制備工藝簡(jiǎn)單，無(wú)須分別生長(zhǎng)碳納米管陣列與石墨烯，可簡(jiǎn)易一步實(shí)現(xiàn)碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的制備，有效提高了制備碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的效率，簡(jiǎn)化了生長(zhǎng)流程、縮短了生長(zhǎng)時(shí)間，降低了制備的成本和能耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種制備碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易方法。
[0007]—種制備碳納米管陣列與石墨烯混合結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易方法，其特征在于，包括步驟如下:
(1)超聲清洗硅片，N2下吹干備用；
(2)將二茂鐵與二甲苯按照相應(yīng)溶度配好備用；
(3)將清洗好的硅片放入石英管的中部并處在加熱爐的中央加熱區(qū)，將配好的二茂鐵與二甲苯溶液放入石英管的進(jìn)氣端附近，并用簡(jiǎn)易的加熱裝置包裹在石英管外部位于二茂鐵與二甲苯溶液的位置，以便對(duì)二茂鐵與二甲苯加熱；
(4)采用化學(xué)氣相沉積法，將石英管放入爐內(nèi)加熱，同時(shí)通入Ar以便排出管內(nèi)的空氣，在Ar氣氛保護(hù)下升溫至750-950 °C ；
(5)溫度升至750-950°C關(guān)閉Ar，然后通入出，并同時(shí)對(duì)二茂鐵與二甲苯溶液加熱至110-170 °C，氣態(tài)二茂鐵與二甲苯混合物隨H2—同通入的加熱爐的中心區(qū)，生長(zhǎng)時(shí)間15-120min ；生長(zhǎng)結(jié)束關(guān)閉H2通入Ar，并停止對(duì)二茂鐵與二甲苯加熱；
(6)在Ar氛圍下降溫至室溫取出樣品，得到碳納米管陣列-石墨烯的混合結(jié)構(gòu)；
步驟(2)所述配備的二茂鐵與二甲苯溶液溶度為2-9%;
步驟(3)所述在石英管中同時(shí)放入催化劑二茂鐵、碳源二甲苯及生長(zhǎng)碳納米管陣列和石墨烯混合結(jié)構(gòu)的硅襯底，且硅襯底不需要鍍催化劑層及緩沖層，并用小石英管套住以便控制住碳源與催化劑進(jìn)入生長(zhǎng)區(qū)的速度；
步驟(4)中的升溫速率為5-30°C/min，Ar流速為30-100scm，石英管中的壓強(qiáng)為常壓； 優(yōu)選的，步驟(5)所述通入H2的流量為50-10080011，生長(zhǎng)時(shí)間30-60111；[11;
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的特點(diǎn)及有益效果:簡(jiǎn)易的一步法就可以直接制備碳納米管陣列-石墨烯的混合結(jié)構(gòu)，不需要分別生長(zhǎng)石墨烯與碳納米管陣列，減少并優(yōu)化了制備過(guò)程且直接以硅作為基底，不需要鍍一層氧化鋁的前期步驟從而減少了制備環(huán)節(jié)和時(shí)間，降低了成本;石英管中同時(shí)放入催化劑二茂鐵、碳源二甲苯及生長(zhǎng)碳納米管陣列和石墨烯混合結(jié)構(gòu)的硅襯底，且硅襯底不需要鍍催化劑層及緩沖層。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1生長(zhǎng)碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)裝置示意圖。
[0009]其中1.進(jìn)氣孔、2.加熱爐、3.輔助加熱區(qū)、4.碳源與催化劑、5.硅襯底、6.排氣口。
【具體實(shí)施方式】
[0010]本發(fā)明涉及一種碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易制備方法，下面結(jié)合實(shí)施例和附圖做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0011]實(shí)施例1
一種制備碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易方法，包括以下步驟:
1.將硅片依次經(jīng)切片、去離子水、無(wú)水乙醇超聲清洗10min，N2下吹干備用；
2.將二茂鐵用電子天平稱量2g，將二甲苯用量筒量取100ml，按照2%配比配好，并用超聲溶解；
3.將清洗好的硅片放入石英管的中部并處在加熱爐2的中央加熱區(qū)，將配好的二茂鐵與二甲苯溶液放入石英管的進(jìn)氣端附近，并用簡(jiǎn)易的加熱裝置包裹在石英管外部位于二茂鐵與二甲苯溶液的位置，以便對(duì)二茂鐵與二甲苯加熱，實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示；
4.采用化學(xué)氣相沉積法，將石英管放入爐內(nèi)加熱，加熱速率為10 °C/min，同時(shí)以50sccm的流量通入Ar以便排出管內(nèi)的空氣，在Ar氣氛保護(hù)下升溫至750 °C ;
5.溫度升至750°C關(guān)閉Ar，然后以60sCCm的流量通入H2,并同時(shí)對(duì)二茂鐵與二甲苯溶液加熱至110°C，氣態(tài)二茂鐵與二甲苯混合物隨H2—同通入的加熱爐2的中心區(qū)，生長(zhǎng)時(shí)間120min;生長(zhǎng)結(jié)束關(guān)閉H2，以50Sccm的流量通入通入Ar，并停止對(duì)二茂鐵與二甲苯溶液加執(zhí).JtW ，
6.在Ar氛圍下降溫至室溫取出樣品，得到碳納米管陣列-石墨烯的混合結(jié)構(gòu)。
[0012]實(shí)施例2
1.將硅片依次經(jīng)切片、去離子水、無(wú)水乙醇超聲清洗10min，N2下吹干備用；
2.將二茂鐵用電子天平稱量6g，將二甲苯用量筒量取100ml，按照6%配比配好，并用超聲溶解；
3.將清洗好的硅片放入石英管的中部并處在加熱爐2的中央加熱區(qū)，將配好的二茂鐵與二甲苯溶液放入石英管的進(jìn)氣端附近，并用簡(jiǎn)易的加熱裝置包裹在石英管外部位于二茂鐵與二甲苯溶液的位置，以便對(duì)二茂鐵與二甲苯加熱；
4.采用化學(xué)氣相沉積法，將石英管放入爐內(nèi)加熱，加熱速率為15 °C /min，同時(shí)以100SCCm的流量通入Ar以便排出管內(nèi)的空氣，在Ar氣氛保護(hù)下升溫至850 °C ;
5.溫度升至850°C關(guān)閉Ar，然后以lOOsccm的流量通入H2，并同時(shí)對(duì)二茂鐵與二甲苯溶液加熱至130°C，氣態(tài)二茂鐵與二甲苯混合物隨H2—同通入的加熱爐2的中心區(qū)，生長(zhǎng)時(shí)間60min;生長(zhǎng)結(jié)束關(guān)閉H2，以lOOsccm的流量通入通入Ar，并停止對(duì)二茂鐵與二甲苯溶液加執(zhí).JtW ，
6.在Ar氛圍下降溫至室溫取出樣品，得到碳納米管陣列與石墨烯的混合結(jié)構(gòu)。
[0013]實(shí)施例3
1.將硅片依次經(jīng)切片、去離子水、無(wú)水乙醇超聲清洗10min，N2下吹干備用；
2.將二茂鐵用電子天平稱量9g，將二甲苯用量筒量取100ml，按照9%配比配好，并用超聲溶解；
3.將清洗好的硅片放入石英管的中部并處在加熱爐2的中央加熱區(qū)，將配好的二茂鐵與二甲苯溶液放入石英管的進(jìn)氣端附近，并用簡(jiǎn)易的加熱裝置包裹在石英管外部位于二茂鐵與二甲苯溶液的位置，以便對(duì)二茂鐵與二甲苯加熱；
4.采用化學(xué)氣相沉積法，將石英管放入爐內(nèi)加熱，加熱速率為30 0C /min，同時(shí)以100SCCm的流量通入Ar以便排出管內(nèi)的空氣，在Ar氣氛保護(hù)下升溫至950 °C ;
5.溫度升至950°C關(guān)閉Ar，然后以lOOsccm的流量通入H2，并同時(shí)對(duì)二茂鐵與二甲苯溶液加熱至150°C，氣態(tài)二茂鐵與二甲苯混合物隨H2—同通入的加熱爐2的中心區(qū)，生長(zhǎng)時(shí)間30min;生長(zhǎng)結(jié)束關(guān)閉H2，以lOOsccm的流量通入通入Ar，并停止對(duì)二茂鐵與二甲苯溶液加執(zhí).JtW ，
6.在Ar氛圍下降溫至室溫取出樣品，得到碳納米管陣列與石墨烯的混合結(jié)構(gòu)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種制備碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易方法，其特征在于，包括步驟如下: 超聲清洗硅片，N2下吹干備用； 將二茂鐵與二甲苯按照相應(yīng)配比配好備用； 將清洗好的硅片放入石英管的中部并處在加熱爐的中央加熱區(qū)，將配好的二茂鐵與二甲苯溶液放入石英管的進(jìn)氣端附近，并用小的石英管套住以便控制住碳源與催化劑進(jìn)入生長(zhǎng)區(qū)的速度，簡(jiǎn)易的加熱裝置包裹在大石英管外部位于二茂鐵與二甲苯溶液的位置，以便對(duì)二茂鐵與二甲苯加熱； 采用化學(xué)氣相沉積法，將石英管放入爐內(nèi)加熱，同時(shí)通入Ar以便排出管內(nèi)的空氣，在Ar氣氛保護(hù)下升溫至750-950 °C ； 溫度升至750-950 °C關(guān)閉Ar，然后通入出，并同時(shí)對(duì)二茂鐵與二甲苯溶液加熱至110-170°C，氣態(tài)二茂鐵與二甲苯混合物隨H2—同通入的加熱爐的中心區(qū)，生長(zhǎng)時(shí)間15-120min;生長(zhǎng)結(jié)束關(guān)閉H2通入Ar，并停止對(duì)二茂鐵與二甲苯溶液加熱； 在Ar氛圍下降溫至室溫取出樣品，得到碳納米管陣列-石墨烯的混合結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳納米管陣列與石墨烯混合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述配備的二茂鐵與二甲苯溶液溶度為2-9%。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳納米管陣列與石墨烯混合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述在石英管中同時(shí)放入催化劑二茂鐵、碳源二甲苯及生長(zhǎng)碳納米管陣列和石墨烯混合結(jié)構(gòu)的硅襯底，且硅襯底不需要鍍催化劑層及緩沖層，并用小石英管套住以便控制住碳源與催化劑進(jìn)入生長(zhǎng)區(qū)的速度。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟(4)中的升溫速率為5-30/min，Ar流速為30-100sccm，石英管中的壓強(qiáng)為常壓。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟(5)所述通入H2的流量為50-100sccm，生長(zhǎng)時(shí)間15-120min。
【文檔編號(hào)】C23C16/448GK106086811SQ201610413708
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月14日 公開(kāi)號(hào)201610413708.9, CN 106086811 A, CN 106086811A, CN 201610413708, CN-A-106086811, CN106086811 A, CN106086811A, CN201610413708, CN201610413708.9
【發(fā)明人】王立, 郭守暉, 范定環(huán)
【申請(qǐng)人】南昌大學(xué)