[发明专利]一种三维纳米多孔石墨烯的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料的制备技术领域，具体涉及一种三维纳米多孔石墨烯的制备方法。

背景技术

石墨烯是由碳原子紧密堆积而成的单层二维碳质材料，其理论比表面积达到2620m²/g，且具有极好地电学、光学、机械等性能，因此具有非常广泛的应用前景。目前，机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法及化学还原法等均可制备石墨烯及其功能化后的衍生物。整合二维石墨烯构建具有特定三维结构的石墨烯，进而制备性能优异的功能器件对于拓展石墨烯的宏观应用具有重要意义。三维结构可以赋予石墨烯独特的性质，比如柔韧性、多孔性、高活性比表面积等。因此，近年来国内外对三维石墨烯材料的制备及应用研究十分活跃。

迄今为止，研究者们已经建立了制备三维石墨烯的多种方法，例如，定向流动组装法、溶剂/水热法、模板界面组装法等。但是以上几种方法都存在很多问题：

(1)以上几种方法都依靠还原的氧化石墨烯(rGO)为原料，而rGO的导电性与理想二维石墨烯之间有很大差距，因此，用以上方法获得的三维石墨烯性能将大打折扣。

(2)rGO纳米片在形成三维石墨烯结构过程中非常容易重新堆积团聚，如何完好的保持rGO的片层性质仍然是难点；

(3)由rGO纳米片所组装的三维石墨烯材料的微观孔结构大多通过2D石墨烯整合过程中随机出现，孔结构可控性及重复性差；

(4)以上几种方法所得到的三维石墨烯孔径尺寸均已超过纳米级别，不是真正意义上的三维纳米多孔石墨烯。

化学气相沉积法(CVD)是目前制备高质量石墨烯的最有效方法，因此也是制备三维纳米多孔石墨烯最有效的方法，但是，目前运用CVD法制备的三维石墨烯材料的孔径通常是在几百纳米到几十微米之间，但是仍少有具有纳米尺度孔结构三维石墨烯的研究成果。因此，寻找一种合适的基体来获得三维纳米多孔石墨烯一直是科学家努力的方向。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种以纳米多孔金属为基体制备三维纳米多孔石墨烯的方法，该制备方法工艺过程简单，成本低廉，所得的三维纳米多孔石墨烯孔径分布均匀且均在纳米级尺寸，适合工业化生产。本发明的技术方案如下：

一种纳米多孔金属制备三维纳米多孔石墨烯的方法，该制备方法采用以下工艺：

1)制备纳米多孔金属箔片

选用厚度为10-200um的Cu₃₀Mn₇₀、Ni₃₀Mn₇₀或Ni_xCu_30-xMn₇₀(x＝5，10，15，20，25)的合金箔片，进行去合金化处理，制得随去合金化时间及去合金化腐蚀液浓度变化的具有层次性的纳米多孔结构的纳米多孔金属箔片；

2)制备三维纳米多石墨烯

将步骤二制得的纳米多孔金属箔片放入石英舟中，将石英舟置于反应管炉膛外部区域，通入碳源气体、氩气和氢气，碳源、氩气和氢气的比例按1-50:200-500:50-200的流量配置，此时将炉温升至500-1100℃，待炉温升至指定温度后将石英舟快速移至反应管中部恒温区，在此温度下煅烧0.5-30分钟；

煅烧完毕后将石英舟快速从反应管中部恒温区移至炉膛外部，并将炉盖打开，在氩气的气氛下将样品降至室温；然后将样品从管式炉中取出，浸入腐蚀液中将纳米多孔金属除去，之后清洗干净即可得到自支撑三维纳米多孔石墨烯薄膜。

其中的碳源气体为乙炔、甲烷或乙烯。

与现有技术相比，本发明以纳米多孔金属为基体，利用CVD法在纳米多孔金属的催化作用下将碳源催化成石墨烯，最终将纳米多孔金属除去即得到自支撑的三维纳米多孔石墨烯。本发明方法具有以下优势：(1)工艺简单，成本低廉。一步即可合成三维纳米多孔石墨烯，简化了工艺流程，大大节约了成本；(2)无污染，环境友好。目前组装三维纳米石墨烯的方法通常利用还原的氧化石墨烯为原料，而还原氧化石墨烯制备过程中要用到强酸或其他有毒化学品，容易造成环境污染。本发明不需要任何化学或物理处理，整个过程在稳定友好的环境下进行，是一种绿色技术；(3)本发明所采用的CVD法制备三维纳米多孔石墨烯工艺成熟，适合工业化推广应用；(4)本发明所得到的三维纳米多孔石墨烯具有自支撑结构，可不经过任何后期处理直接应用，大大拓展了石墨烯的应用领域。

附图说明

图1为本发明所用合金箔片的宏观照片；