[发明专利]一种具有多级结构的三维石墨烯泡沫及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有多级结构的三维石墨烯泡沫及其制备方法。所述多级结构的三维石墨烯泡沫是泡沫金属骨架的三维石墨烯基体表面生长有石墨烯纳米片；去除金属骨架后得自支撑的具有多级结构的三维石墨烯泡沫，在三维石墨烯基体表面生长有石墨烯纳米片；所述石墨烯纳米片的长度为50nm‑500nm，密度为10¹²‑10¹⁴个/m²。本发明还提供多级结构的三维石墨烯泡沫的制备方法，可用于大规模生产，制得多级结构的三维石墨烯泡沫的尺寸可达300平方厘米，该石墨烯泡沫质量高，吸光率高，比表面积大，适用于储能与太阳能转化的应用。

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种具有多级结构的三维石墨烯泡沫及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由单层碳原子按照六方对称的蜂巢结构排布形成的二维薄膜材料。由于石墨烯在电学、光学、热学以及力学等方面表现出的优良性质，自其被发现以来就引起物理、化学、生物和材料等各领域的广泛关注。石墨烯中的单层碳原子以六方晶格排布，导致了狄拉克锥形的能带结构，其费米能级处的能量和动量成线性色散关系。这种能带结构决定了石墨烯具有极高的电子和空穴迁移率，比传统的硅材料高两个数量级以上，因而石墨烯逐渐成为硅基电子学材料的有力竞争者。

三维石墨烯是通过化学气相沉积方法获得的多孔、高比表面积形态的石墨烯，其结合了二维石墨烯的高机械强度、高导电性及金属泡沫的多孔特性。其超轻、高导电性、优良的韧性强度及高的生物相容性使得它在能源存储、感应器、集热、化学吸附及生物工程等领域有广泛的应用。化学气相沉积方法适合于大规模制备三维石墨烯泡沫，例如CN101831622A提供一种制备石墨烯修饰的金属泡沫材料以及空心多孔石墨烯的方法，包括：1)将金属泡沫材料放进真空管式炉内，并在非氧化性气氛下进行煅烧；2)采用化学气相沉积法，在煅烧后的金属泡沫材料上沉积石墨烯，得到石墨烯修饰的金属泡沫材料。去除泡沫金属即得石墨烯泡沫。但是现有的化学气相沉积法制备的石墨烯泡沫的机械强度较低，通常要在聚甲基丙烯酸甲酯高分子的辅助下进行转移，石墨烯泡沫的低机械强度限制了其在各领域的进一步应用。另一方面，基于金属泡沫化学气相沉积法制备的现有技术所得到的石墨烯泡沫的透光度较高，降低了对光吸收的效率，不利于太阳光等清洁光能源的能量转化。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有多级结构的三维石墨烯泡沫及其制备方法。

本发明提供的制备三维石墨烯泡沫的方法，包括如下步骤：

以泡沫材料为基底，利用等离子体化的碳源进行化学气相沉积，沉积完毕得到所述三维石墨烯泡沫。

上述方法中，所述泡沫材料为泡沫镍、泡沫铜或泡沫铝；

所述泡沫材料的厚度为1.6-2.0mm或1.8mm；面密度为100-400PPI或250PPI。

所述方法还包括如下步骤：在所述化学气相沉积步骤之前，将所述基底进行退火。

所述退火在还原性气氛或氢气气氛中进行；

所述还原性气氛的流量为100sccm-300sccm(流量单位standard-state cubiccentimeter per minute，标况毫升每分，简称为sccm)，具体可为150sccm-200sccm；

体系压强为100Pa-300Pa，具体可为150-200Pa；

退火的温度为600-1000℃，具体可为600-700℃或900-1000℃；

退火的时间为10min-60min，具体可为40min-50min。

所述碳源为气态碳源，具体可为甲烷、乙醇、乙烷或乙烯；

所述化学气相沉积步骤中，所述等离子体化的碳源的流量为1sccm-10sccm，具体可为5sccm；