[发明专利]一种石墨烯微片‑金刚石复合物的合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯微片-金刚石复合物的合成方法，属于新材料及其应用技术领域。

背景技术

人造金刚石用静态超高压(50～100kb，即5～10GPa) 和高温(1100～3000°C)技术通过石墨等碳质原料和某些金属（合金）反应生成金刚石，其典型晶态为立方体(六面体)、八面体和六-八面体以及它们的过渡形态。在工业上显出重要应用价值的主要是静压熔媒法。采用这种方法得到的磨料级人造金刚石的产量已超过天然金刚石。

此外，人造金刚石的方法还有外延法：利用热解和电解某些含碳物质时析出的碳源在金刚石晶种或某些起基底作用的物质上进行外延生长而成的。化学气相沉积法：碳氢化合物在一定的温度下分解，气相碳在基体上沉积，形成具有金刚石晶体结构的薄膜的工艺方法。物理气相沉积法：在真空条件下，采用低电压，大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物（石墨）与靶材发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物蒸发到工件上。外延法常用来合成大晶粒金刚石，化学气相沉积法常用来合成金刚石薄膜，物理气相沉积法常用来合成类金刚石薄膜。

需要指出的是，人工合成金刚石需要超高压高温装置，如铰链式六面顶压机，两面顶压超高压装置，年轮式超高压高温装置，桶形金属压力容器（爆炸法）。由于制造成本的高昂和晶体尺寸及形状的限制，工业上主要应用于超级磨料。

根据高压物理实验和理论分析，石墨转变为金刚石时，在没有金属(或合金)参与的情况下，需要13GPa的压力和2700K以上的高温。随着科学技术的发展，人们找到了一个更加切实可行的途径：添加金属(或合金)来促进非金刚石型碳向金刚石转变的过程，正是引进了金属(或合金)，大大降低了人工合成金刚石的压力和温度。由于有了金属(或合金)的作用，相应地使合成压力和温度降低到10GPa到4GPa的压力和1200℃左右范围或更低，压力、温度与选用的金属(或合金)的种类有关。

金刚石的工业生产，面临的难题仍然是高温高压设备耗损严重的问题，解决这一问题的办法有两个：一个是提高高温高压设备的质量，但从解决这一问题的成本很高；另一个是进一步降低金刚石合成压力和温度，但适用于低温低压条件合成金刚石的催化剂未见报道。加入催化剂就能使我们有可能把人工合成金刚石的反应温度降低，随着反应温度的降低，当然相应的反应压力也可降低。

催化剂设计的理论依据：

1.结构适应原理：这表明结构因素在催化中起着很大的作用。现在大家公认，化学力作用力下进行的，这种化学力是一定长度(原子间)和能量(解离能)的化学键表示。由于化学力的作用范围小，原子只有在其彼此接触时才能相互作用，在反应过程中不是全部分子都参加反应大，而只有那些相互接触的个别原子起作用，在催化反应中，反应原子还应与催化剂接触。

2.能量适应原理：在催化反应中，其能量适应原理是选择触媒剂的最重要依据。催化剂除了符合晶体结构适应的要求之外，须对反应分子具有吸附作用力，这化学作用吸附力不能太小，否则不能使欲断裂的化学键充分松弛;但又不能太大，否则产物不易解吸。

3.中间络合物理论的基本内容是：假定催化剂参加反应与反应物生成不稳定的络合物。中间络合物容易形成，也容易分解。中间络合物形成使反应容易进行。我们知道，由石墨(A)直接转变成金刚石(B)的速度是很慢的。如果加入催化剂K，这一反应就大大加速，其原因是A与K结合生成了中间产物AK。石墨的原子(或者其中的几个)与催化剂的原子间所起的相互作用削弱了石墨内部各原子间的结合力。当吸附在催化剂上时石墨内部各原子之间的距离发生了改变，就出现了显著的分子变形，即处于吸附状态的石墨分子要比游离状态时容易起反应。

能帮助破坏石墨晶格和建立金刚石晶格的催化剂有周期表第八族元素及Cr、Ta、Mn、Ge，以及以上元素的化合物如氧化镍、三氯化铁，CoFe₆，CoMn₁₃Ni₁₂，NiMn，NiFe，NiCu，Ni₈₀Cr₂₀，Ni₇₀Cr₁₅Fe₈，Ni₇₀Mn₂₅Co₅等。