本發(fā)明涉及納米材料，屬于三維石墨烯多孔材料增強(qiáng)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種補(bǔ)強(qiáng)三維石墨烯多孔材料結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
石墨烯即碳原子以sp2雜化軌道連接而成的二維晶體結(jié)構(gòu)，其完美的碳晶體結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯特殊的物理化學(xué)特性：卓越的機(jī)械性能、優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能等。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研工作者將二維石墨烯片組裝成三維石墨烯多孔材料，這種多孔材料展現(xiàn)出超低的密度、極高的孔隙率和較高的比表面積等特點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)材料而言，三維石墨烯多孔材料在能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換、活性電極材料、傳感器、環(huán)境治理、復(fù)合材料增強(qiáng)、電磁屏蔽和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力和發(fā)展空間。
根據(jù)原料初始狀態(tài)不同，制備三維石墨烯多孔材料的方法可分為干法和濕法。干法一般是利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)，以烴類氣體為碳源，經(jīng)高溫裂解成碳原子在基體析出成核促使石墨烯原位生長(zhǎng)，石墨烯片以共價(jià)鍵方式連接成為一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此表現(xiàn)出超高的性能。但是這種方法對(duì)設(shè)備的投資極大，能源消耗多，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)仍然具有極大的挑戰(zhàn)。濕法涵蓋了以氧化石墨烯溶液為原料制備三維石墨烯多孔材料的所有方法，包括水熱法、化學(xué)還原自組裝法、溶膠-凝膠法和模板法等。此法具有生產(chǎn)成本低廉、制備簡(jiǎn)單和實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，有利于進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。但是在濕法制備的三維石墨烯多孔材料中，石墨烯片缺陷較多且容易發(fā)生團(tuán)聚，難以形成良好的搭接，致使三維石墨烯多孔材料各方面性能達(dá)不到預(yù)期效果。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了彌補(bǔ)濕法制備的三維石墨烯多孔材料的諸多缺陷，需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我們提出了一種利用微波等離子體補(bǔ)強(qiáng)三維石墨烯多孔材料結(jié)構(gòu)的方法。即把濕法制備的三維石墨烯多孔材料放在微波等離子體系統(tǒng)中處理，利用等離子體技術(shù)在材料表層和內(nèi)壁沉積碳材料，補(bǔ)強(qiáng)三維石墨烯骨架結(jié)構(gòu)，這種方法使其孔洞內(nèi)壁石墨烯片層之間形成良好的橋接作用，彌補(bǔ)濕法制備的三維石墨烯多孔材料內(nèi)部缺陷，使得石墨烯片無(wú)縫連接，構(gòu)成一個(gè)致密連通的網(wǎng)絡(luò)，維持三維結(jié)構(gòu)的完整性，得到一種機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)電性能好、熱學(xué)性能穩(wěn)定的高性能多孔材料。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，所采取的技術(shù)方案：一種補(bǔ)強(qiáng)三維石墨烯多孔材料結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟：
一、將濕法制備的三維石墨烯多孔材料碳化處理后浸漬在催化劑溶液中，靜置2～12h，然后將三維石墨烯多孔材料取出干燥。
所述的碳化溫度為200～1000℃，碳化氛圍為氮?dú)狻鍤狻⒑獾榷栊詺怏w。
所述的催化劑選自硝酸鐵、硝酸鎳、硝酸鈷等具有催化性的金屬鹽類。
所述的干燥過(guò)程為：溫度30～200℃，時(shí)間為1～12h。
二、將含有催化劑的三維石墨烯多孔材料放在微波等離子體系統(tǒng)中，利用等離子體技術(shù)，在一定壓強(qiáng)和輔助氣體氛圍中，調(diào)節(jié)功率活化三維石墨烯多孔材料上附著的催化劑，保持恒定的壓強(qiáng)，并在一定功率下，通入碳源氣體，在三維石墨烯多孔材料的表層和內(nèi)壁沉積碳材料，獲得補(bǔ)強(qiáng)處理的三維致密連通石墨烯多孔材料。
所述微波等離子體沉積系統(tǒng)中：活化催化劑的功率為50～400W，產(chǎn)生等離子體源的壓強(qiáng)為100～1000Pa、功率為50～800W，碳材料的沉積時(shí)間為1～30min。
所述的等離子體沉積系統(tǒng)的輔助氣體選自氫氣、氬氣、氮?dú)狻⒑獾葰怏w中的一種或幾種，氣體通量為9～150sccm，通入時(shí)間為5～60min。
所述的等離子體沉積系統(tǒng)的碳源氣體選自甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、乙炔、丙炔、丁炔、乙烯、丙烯、丁烯等氣體中一種或幾種，氣體通量為3～100sccm，通入時(shí)間為1～40min。
所述的等離子體沉積系統(tǒng)中通入的碳源和輔助氣體通量比為1∶2～1∶30。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的一種補(bǔ)強(qiáng)三維石墨烯多孔材料結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例1：
(1)把水熱法制成的三維石墨烯多孔材料放在氮?dú)夥諊碌墓苁綘t內(nèi)200℃碳化處理2h。按1∶12的質(zhì)量比將4g硝酸鎳溶解在48g乙醇中，攪拌至硝酸鎳完全溶解，然后將碳化后較穩(wěn)定的三維石墨烯多孔材料浸漬在上述溶液中5h取出，真空烘箱中烘干。
(2)將含有硝酸鎳的三維石墨烯多孔材料放置在微波等離子體系統(tǒng)的石英腔體真空室中，使得三維石墨烯多孔材料充分置身于等離子體氛圍中，緊接著調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓強(qiáng)至200Pa，然后按39.5sccm通入持續(xù)穩(wěn)定的氫氣，開(kāi)啟等離子體源，調(diào)節(jié)功率至200W，活化催化劑；保持壓強(qiáng)、功率、氫氣通量恒定，按13.5sccm通入甲烷氣體，使得碳材料在三維石墨烯多孔材料中的沉積時(shí)間為3min。然后將其從腔體內(nèi)取出在真空環(huán)境中冷卻3h，即得到了表層和內(nèi)壁沉積碳材料的三維致密連通多孔材料。
實(shí)施例2：
(1)把溶膠-凝膠法制成的三維石墨烯多孔材料放在氮?dú)夥諊碌墓苁綘t內(nèi)400℃碳化處理2h。按1∶6質(zhì)量比將6g硝酸鐵溶解在36ml去離子水中，攪拌至硝酸鐵完全溶解，然后將碳化后較穩(wěn)定的三維石墨烯多孔材料浸漬在上述溶液中7h取出，真空烘箱中烘干。
(2)將含有硝酸鐵的三維石墨烯多孔材料放置在微波等離子體系統(tǒng)的石英腔體真空室內(nèi)，使得三維石墨烯多孔材料充分置身于等離子體氛圍中，然后腔體內(nèi)抽真空，接著調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓強(qiáng)至300Pa，然后按16sccm和20sccm分別通入氬氣、氫氣，通入氣體的同時(shí)保持腔體內(nèi)壓強(qiáng)不變，調(diào)節(jié)功率至300W使得催化劑活化，然后在催化劑體系形成后保持壓強(qiáng)、功率不變，按12sccm通入甲烷氣體，使得碳材料在三維石墨烯多孔材料中的沉積時(shí)間為10min。然后從腔體內(nèi)取出在真空環(huán)境中冷卻4h，即得到了表層和內(nèi)壁沉積碳材料的三維致密連通多孔材料。
實(shí)施例3：
(1)把化學(xué)組裝法制成的三維石墨烯多孔材料放在氬氣氛圍下的管式爐內(nèi)500℃碳化處理3h。按1∶8質(zhì)量比將4g硝酸鈷溶解在32ml去離子水中，攪拌至硝酸鈷完全溶解，然后將熱處理好的三維石墨烯多孔材料浸漬在上述溶液中5h取出，真空烘箱中烘干。
(2)將含有硝酸鈷的三維石墨烯多孔材料放在微波等離子體系統(tǒng)的石英腔體真空室內(nèi)，使得三維石墨烯多孔材料充分置身于等離子體氛圍中，然后關(guān)閉閥門，腔體內(nèi)抽真空。接著調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓強(qiáng)至200Pa，然后按36.5sccm通入持續(xù)穩(wěn)定的氫氣，開(kāi)啟等離子體源，調(diào)節(jié)功率400W使催化劑活化，待催化劑體系形成后維持壓強(qiáng)、功率不變，按13.5sccm通入氣流穩(wěn)定的甲烷氣體，使碳材料在三維石墨烯多孔材料中的沉積時(shí)間為15min。然后將其從腔體內(nèi)取出在真空環(huán)境中冷卻6h，即得到了表層和內(nèi)壁沉積碳材料的三維致密連通多孔材料。