[发明专利]三维石墨烯/金属线或金属丝复合结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种三维石墨烯/金属线或金属丝复合结构及其制备方法。

背景技术

石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构，它是构建0D的富勒烯，1D的碳纳米管和3D的石墨等碳基材料的基本单元。石墨烯独特的晶体结构使其具有优异性质，如高热导性、高机械强度、奇特的电学性质和光学性质，因此具有重要的理论研究价值，而且其独特的结构和优异的性能有可能使它在多个领域获得重大的实际应用，为未来的经济、社会发展提供新的有力增长点(K.S.Novoselov，et al.Science 2004，306，666.)。从光学角度来说石墨烯高度透明，可见-近红外光的吸收为～2.3％(R.Nair，et al.Science 2008，320，1308.)；石墨烯避免了传统透明导电氧化物在近红外的光吸收，有助于利用900-1200nm的近红外太阳能，实现充分利用太阳能。从电输运而言，载流子迁移率高达20,000cm2×V-1×s-1，远优于常见的氧化物透明导电薄膜(A.Geim，Nat.Mater.2007，6，183.)；石墨烯的载流子浓度远远低于导电碳管和石墨，石墨烯的高迁移率和低载流子浓度有利于电荷快速迁移，提高太阳能电池收集电荷能力，提高光电转换效率，从而在锂离子电池、太阳能电池等可再生能源领域具有广阔的应用前景。与上述应用中目前广泛采用的相关材料相比，石墨烯具有成本低的优点，可由价廉易得的石墨为原料来制备，并且成膜可通过简单的湿化学方法来实现，因而具备其他材料无法比拟的价格优势。

目前，研究人员也通过化学剥离法、电孤放电法和化学气相沉积法制备出石墨烯材料，并通过控制生长条件和后续的处理已经制备出石墨烯薄膜和三维石墨烯网络结构，在太阳能器件、储能电池及导电复合材料领域具有广阔的应用前景。[具体可见文献：K.S.Novoselov et al.Science，2004，306：666.C.Lee，et al.Science，2008，321：385.K.S.Kim，et al.Nature，2009，457：706.X.S.Li，et al.Science，2009，324：1312.S.Bae，et al.Nature Nanotechnology，2010，5：574.X.Wang，et al.Nano Letters，2008，8：323.L.G.D.Arco，et al.ACS Nano，2010，4：2865.]。

公开号CN102176338A公开一种供一种复合导电材料，所述复合导电材料是由粘接剂将石墨烯与铜纳米线复合而成而获得的复合导电材料。此外，有文献公开采用低压化学气相沉积法，但所述方法制备的石墨烯结构缺陷多。目前尚未有在常压条件下直接以金属线或金属丝作为催化剂模板在金属线或金属丝沉积制得三维石墨烯/金属线或金属丝复合结构的报道。

发明内容

面对现有技术存在的上述问题，本发明人意识到采用金属线或金属丝作为催化模板，利用化学气相沉积法直接沉积石墨烯，获得石墨烯/金属线或金属丝复合结构。并利用刻蚀液去除金属线或金属丝后，可以制备出导电性及耐腐性优异的三维石墨烯管。

在此，本发明提供一种三维石墨烯/金属线或金属丝复合结构，所述复合结构是以金属线或金属丝作为催化剂模板通过化学气相沉积法使碳源在所述金属线的外表面直接生成石墨烯覆层而形成的石墨烯/金属线或金属丝复合结构，所述金属线或金属丝的直径为10nm～5000μm，所述石墨烯的层数为1～100。优选地，所述直径为80nm～500μm。

本发明制得的复合结构，无需引入粘接剂，工艺简单，过程易控制，制造成本低，制品导电性能优异。而且本发明采用在常压条件下化学气相沉积法制备石墨烯/金属线或金属丝复合结构，其制备方法简单，无需真空设备，制备成本低廉，生长的石墨烯结构完整无缺陷。

较佳地，在采用金属线时，其直径可为10-1000nm，长度为50nm～500μm；优选地，其直径为80～500nm，长度可以为100nm～500μm。在采用金属丝时，其直径可以为1～5000μm，长度为0.1～1000mm；优选地其直径为20～500μm，长度为0.5～100mm。

较佳地，在金属线或金属丝上沉积生成的石墨烯的层数优选为1～20。