[发明专利]一种超薄层石墨烯微管的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学气相沉积领域，特别涉及一种超薄层石墨烯微管的制备方法。

背景技术

当石墨的堆垛原子层数少于10个单原子层时，石墨层即具有与普通三维石墨不同的电子结构，通常将10层以下的石墨结构统称为石墨烯。在诸多的石墨烯制备方法中，化学气相沉积法（CVD法）是实现高质量石墨烯规模化生产的重要技术之一。CVD通常是指以过渡金属作为模板和催化剂，通入的碳源在高温下分解出碳沉积在金属上，最终形核生成石墨烯的过程。石墨烯的层数越少，其性能就越显著，因而制备超薄层石墨烯更具有研究价值。目前，在铜、镍等常用的片状衬底上生长大面积、高质量、薄层石墨烯的研究已经相对成熟，而在丝状基底上CVD生长超薄层石墨烯的研究则罕见报道。超薄层石墨烯微管具有石墨烯的优异性质以及特殊的形貌结构，拓展了新型材料领域的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用化学气相沉积法在微米级铜丝表面生长超薄层石墨烯的制备方法，制备工艺简单，成本相对经济，可以获得层数少，质量好的石墨烯微管。

本发明所采用的技术方案如下：

一种超薄层石墨烯微管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1) 微米级铜丝预处理；

(2)将预处理后的铜丝放置于滑轨式管式炉中，抽真空后通入氢-氩混合气至常压；

(3)管式炉加热至预设温度，恒温对铜丝进行退火处理；

(4)通入甲烷-氩气混合气，保持一定的生长时间后停止通入甲烷-氩气混合气碳源，开启滑台装置使炉体匀速滑开，同时打开电风扇，待石英管内温度快速降至室温后取出样品，得到铜丝/石墨烯；

(5)将铜丝/石墨烯浸没于三氯化铁刻蚀液中除去铜丝，即可获得超薄层石墨烯微管。

所述的步骤（1）微米级铜丝预处理过程为：将微米级铜丝浸没于0.1~1 mol/L过硫酸铵溶液中处理10~60 s，然后依次采用丙酮、去离子水、乙醇进行清洗。

所述的步骤（2）的氢-氩混合气中氢气所占的体积分数为1~20%，混合气流量为50~400 sccm。

所述的步骤（3）的管式炉的炉体升温速率为1~20 ℃/min，温度为950~1050 ℃，恒温时间为15~60 min。

所述的步骤（4）的甲烷-氩气混合气中甲烷所占的体积分数为1~20%，混合气流量为10~100 sccm。

所述的步骤（4）的生长时间为1~30 min。

所述的步骤（5）的三氯化铁刻蚀溶液浓度为1~10 mol/L。

上述的制备方法制得超薄层石墨烯微管。

具体地说，本发明所述的一种超薄层石墨烯微管的制备方法，采用如下技术方案：

(1)对微米级铜丝进行预处理；

(2)将经过预处理后的铜丝放置于滑轨式管式炉中，管内抽真空后通入氢-氩混合气至常压；

(3)管式炉以1~20 ℃/min的升温速率加热至预设温度，恒温15~60 min对铜丝进行退火处理；

(4)通入甲烷-氩气混合气，保持一定的生长时间后停止通入碳源，开启滑台装置使炉体匀速滑开，同时打开电风扇，待石英管内温度快速降至室温后取出样品，得到铜丝/石墨烯；

(5)在铜丝/石墨烯样品浸没于三氯化铁溶液中刻蚀去除内层铜丝，即获得石墨烯微管。

步骤1所述的铜丝直径为15~50 μm，预处理过程包括：将铜丝浸没于0.1~1 mol/L过硫酸铵溶液中处理10~60 s，然后依次采用丙酮、去离子水、乙醇进行清洗。

步骤2所述的氢-氩混合气中氢气所占的体积分数为1~20%，混合气的流量为50~400 sccm。

步骤3所述的温度为950~1050 ℃。

步骤4所述的甲烷-氩气混合气中甲烷所占的体积分数为1~20%，混合气流量为10~100 sccm，生长时间为1~30 min。

步骤5所述的三氯化铁刻蚀溶液浓度为1~10 mol/L。

本发明具有如下优点：

该方法制备过程简单，能在微米级铜丝的表面生长石墨烯，通过调控氢-氩混合气的流量、生长温度和生长时间，并将内层的铜丝彻底去除后可以获得高质量的超薄层的石墨烯微管，特殊形状的石墨烯为新型材料的制备和应用提供了一个新的研究方向。

附图说明

图1为实施例1中1000 ℃下CVD生长后的铜丝/石墨烯表面的扫描电镜图，图1中（a）的放大倍数为×1000，图1中（b）的放大倍数为×5000。