一種制備碳納米管陣列?石墨烯混合結(jié)構(gòu)的簡易方法
【專利摘要】一種制備碳納米管陣列?石墨烯混合結(jié)構(gòu)的方法，屬于納米材料及其制備技術領域。該方法將硅基體放入充滿Ar、N2等惰性氣體氛圍石英管中，通入Ar、N2等惰性氣體并升溫至生長溫度；然后對預先放入石英管內(nèi)的碳源和催化劑的混合物加熱到合適的溫度并向石英管內(nèi)通入一定量的H2，可獲得碳納米管陣列?石墨烯的混合結(jié)構(gòu)。本發(fā)明方法具有制備工藝簡單，無須分別生長碳納米管陣列與石墨烯，可簡易一步實現(xiàn)碳納米管陣列?石墨烯混合結(jié)構(gòu)的制備。有效提高了制備碳納米管陣列?石墨烯混合結(jié)構(gòu)的效率，簡化了生長流程、縮短了生長時間，降低了制備的成本和能耗。
【專利說明】
一種制備碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的簡易方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的簡易制備方法，具體說，是涉及在簡易基底上一步法生長碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的方法。
【背景技術】
[0002]碳納米管因其獨特的一維結(jié)構(gòu)具備了優(yōu)異的力學性能、電學性能、導熱性能、光學和儲氫性能等，使其在能源存儲與轉(zhuǎn)化、復合材料、多相催化、環(huán)境保護及生物醫(yī)藥等領域具有大量的應用潛力。
[0003]石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料。
[0004]三維碳結(jié)構(gòu)材料由于具有優(yōu)異的性能而受到廣泛關注，由于碳納米管陣列的結(jié)構(gòu)特征使得碳納米管陣列縱向各項性能明顯優(yōu)于橫向各項性能，而石墨烯作為二維材料具有優(yōu)異的平面性能，且碳納米管與石墨烯都均為sp2雜化。因此，將碳納米管陣列與石墨烯結(jié)合起來構(gòu)造無縫連接的石墨烯-碳納米管陣列混合結(jié)構(gòu)是發(fā)揮石墨烯與碳納米管各自優(yōu)異性能的重要手段。
[0005]目前常用傳統(tǒng)的制備碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的方法先是在Cu基體上預先生長石墨烯，然后將沉積了緩沖層和催化劑顆粒的Si/Si02襯底轉(zhuǎn)移上石墨烯，最后利用CVD法生長碳納米管陣列(scientific reports 2013,3,1892；carbon 2015,86,358-362)；萊斯大學的James Tour團隊先在銅基板上覆蓋一層單原子厚度的石墨烯，隨后將其與氧化鋁和鐵催化劑混合，利用CVD法生長出碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)(NatureCommun.2012,3，1225);魏飛等通過原位氮摻雜和結(jié)構(gòu)雜化反應制備了氮摻雜的碳納米管陣列-石墨烯三明治材料，該方法通過兩步化學氣相沉積法(CVD)生長雙功能催化劑，實現(xiàn)了高質(zhì)量的氮摻雜碳納米管陣列和石墨稀的原位生長與結(jié)構(gòu)雜化(Advanced Materials2014，26(35) ,6100-6105，)。這些方法都不可避免先預先形成石墨烯層然后生長成納米管陣列-石墨稀混合結(jié)構(gòu)，其中在轉(zhuǎn)移石墨稀的過程中不可避免會對石墨稀層造成損傷，此外還存在多步驟生長流程、參數(shù)復雜等缺點。本發(fā)明方法具有制備工藝簡單，無須分別生長碳納米管陣列與石墨烯，可簡易一步實現(xiàn)碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的制備，有效提高了制備碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的效率，簡化了生長流程、縮短了生長時間，降低了制備的成本和能耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種制備碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的簡易方法。
[0007]—種制備碳納米管陣列與石墨烯混合結(jié)構(gòu)的簡易方法，其特征在于，包括步驟如下:
(1)超聲清洗硅片，N2下吹干備用；
(2)將二茂鐵與二甲苯按照相應溶度配好備用；
(3)將清洗好的硅片放入石英管的中部并處在加熱爐的中央加熱區(qū)，將配好的二茂鐵與二甲苯溶液放入石英管的進氣端附近，并用簡易的加熱裝置包裹在石英管外部位于二茂鐵與二甲苯溶液的位置，以便對二茂鐵與二甲苯加熱；
(4)采用化學氣相沉積法，將石英管放入爐內(nèi)加熱，同時通入Ar以便排出管內(nèi)的空氣，在Ar氣氛保護下升溫至750-950 °C ；
(5)溫度升至750-950°C關閉Ar，然后通入出，并同時對二茂鐵與二甲苯溶液加熱至110-170 °C，氣態(tài)二茂鐵與二甲苯混合物隨H2—同通入的加熱爐的中心區(qū)，生長時間15-120min ；生長結(jié)束關閉H2通入Ar，并停止對二茂鐵與二甲苯加熱；
(6)在Ar氛圍下降溫至室溫取出樣品，得到碳納米管陣列-石墨烯的混合結(jié)構(gòu)；
步驟(2)所述配備的二茂鐵與二甲苯溶液溶度為2-9%;
步驟(3)所述在石英管中同時放入催化劑二茂鐵、碳源二甲苯及生長碳納米管陣列和石墨烯混合結(jié)構(gòu)的硅襯底，且硅襯底不需要鍍催化劑層及緩沖層，并用小石英管套住以便控制住碳源與催化劑進入生長區(qū)的速度；
步驟(4)中的升溫速率為5-30°C/min，Ar流速為30-100scm，石英管中的壓強為常壓； 優(yōu)選的，步驟(5)所述通入H2的流量為50-10080011，生長時間30-60111；[11;
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下的特點及有益效果:簡易的一步法就可以直接制備碳納米管陣列-石墨烯的混合結(jié)構(gòu)，不需要分別生長石墨烯與碳納米管陣列，減少并優(yōu)化了制備過程且直接以硅作為基底，不需要鍍一層氧化鋁的前期步驟從而減少了制備環(huán)節(jié)和時間，降低了成本;石英管中同時放入催化劑二茂鐵、碳源二甲苯及生長碳納米管陣列和石墨烯混合結(jié)構(gòu)的硅襯底，且硅襯底不需要鍍催化劑層及緩沖層。
【附圖說明】
[0008]圖1生長碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)裝置示意圖。
[0009]其中1.進氣孔、2.加熱爐、3.輔助加熱區(qū)、4.碳源與催化劑、5.硅襯底、6.排氣口。
【具體實施方式】
[0010]本發(fā)明涉及一種碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的簡易制備方法，下面結(jié)合實施例和附圖做進一步說明。
[0011]實施例1
一種制備碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的簡易方法，包括以下步驟:
1.將硅片依次經(jīng)切片、去離子水、無水乙醇超聲清洗10min，N2下吹干備用；
2.將二茂鐵用電子天平稱量2g，將二甲苯用量筒量取100ml，按照2%配比配好，并用超聲溶解；
3.將清洗好的硅片放入石英管的中部并處在加熱爐2的中央加熱區(qū)，將配好的二茂鐵與二甲苯溶液放入石英管的進氣端附近，并用簡易的加熱裝置包裹在石英管外部位于二茂鐵與二甲苯溶液的位置，以便對二茂鐵與二甲苯加熱，實驗裝置圖如圖1所示；
4.采用化學氣相沉積法，將石英管放入爐內(nèi)加熱，加熱速率為10 °C/min，同時以50sccm的流量通入Ar以便排出管內(nèi)的空氣，在Ar氣氛保護下升溫至750 °C ;
5.溫度升至750°C關閉Ar，然后以60sCCm的流量通入H2,并同時對二茂鐵與二甲苯溶液加熱至110°C，氣態(tài)二茂鐵與二甲苯混合物隨H2—同通入的加熱爐2的中心區(qū)，生長時間120min;生長結(jié)束關閉H2，以50Sccm的流量通入通入Ar，并停止對二茂鐵與二甲苯溶液加執(zhí).JtW ，
6.在Ar氛圍下降溫至室溫取出樣品，得到碳納米管陣列-石墨烯的混合結(jié)構(gòu)。
[0012]實施例2
1.將硅片依次經(jīng)切片、去離子水、無水乙醇超聲清洗10min，N2下吹干備用；
2.將二茂鐵用電子天平稱量6g，將二甲苯用量筒量取100ml，按照6%配比配好，并用超聲溶解；
3.將清洗好的硅片放入石英管的中部并處在加熱爐2的中央加熱區(qū)，將配好的二茂鐵與二甲苯溶液放入石英管的進氣端附近，并用簡易的加熱裝置包裹在石英管外部位于二茂鐵與二甲苯溶液的位置，以便對二茂鐵與二甲苯加熱；
4.采用化學氣相沉積法，將石英管放入爐內(nèi)加熱，加熱速率為15 °C /min，同時以100SCCm的流量通入Ar以便排出管內(nèi)的空氣，在Ar氣氛保護下升溫至850 °C ;
5.溫度升至850°C關閉Ar，然后以lOOsccm的流量通入H2，并同時對二茂鐵與二甲苯溶液加熱至130°C，氣態(tài)二茂鐵與二甲苯混合物隨H2—同通入的加熱爐2的中心區(qū)，生長時間60min;生長結(jié)束關閉H2，以lOOsccm的流量通入通入Ar，并停止對二茂鐵與二甲苯溶液加執(zhí).JtW ，
6.在Ar氛圍下降溫至室溫取出樣品，得到碳納米管陣列與石墨烯的混合結(jié)構(gòu)。
[0013]實施例3
1.將硅片依次經(jīng)切片、去離子水、無水乙醇超聲清洗10min，N2下吹干備用；
2.將二茂鐵用電子天平稱量9g，將二甲苯用量筒量取100ml，按照9%配比配好，并用超聲溶解；
3.將清洗好的硅片放入石英管的中部并處在加熱爐2的中央加熱區(qū)，將配好的二茂鐵與二甲苯溶液放入石英管的進氣端附近，并用簡易的加熱裝置包裹在石英管外部位于二茂鐵與二甲苯溶液的位置，以便對二茂鐵與二甲苯加熱；
4.采用化學氣相沉積法，將石英管放入爐內(nèi)加熱，加熱速率為30 0C /min，同時以100SCCm的流量通入Ar以便排出管內(nèi)的空氣，在Ar氣氛保護下升溫至950 °C ;
5.溫度升至950°C關閉Ar，然后以lOOsccm的流量通入H2，并同時對二茂鐵與二甲苯溶液加熱至150°C，氣態(tài)二茂鐵與二甲苯混合物隨H2—同通入的加熱爐2的中心區(qū)，生長時間30min;生長結(jié)束關閉H2，以lOOsccm的流量通入通入Ar，并停止對二茂鐵與二甲苯溶液加執(zhí).JtW ，
6.在Ar氛圍下降溫至室溫取出樣品，得到碳納米管陣列與石墨烯的混合結(jié)構(gòu)。
【主權(quán)項】
1.一種制備碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的簡易方法，其特征在于，包括步驟如下: 超聲清洗硅片，N2下吹干備用； 將二茂鐵與二甲苯按照相應配比配好備用； 將清洗好的硅片放入石英管的中部并處在加熱爐的中央加熱區(qū)，將配好的二茂鐵與二甲苯溶液放入石英管的進氣端附近，并用小的石英管套住以便控制住碳源與催化劑進入生長區(qū)的速度，簡易的加熱裝置包裹在大石英管外部位于二茂鐵與二甲苯溶液的位置，以便對二茂鐵與二甲苯加熱； 采用化學氣相沉積法，將石英管放入爐內(nèi)加熱，同時通入Ar以便排出管內(nèi)的空氣，在Ar氣氛保護下升溫至750-950 °C ； 溫度升至750-950 °C關閉Ar，然后通入出，并同時對二茂鐵與二甲苯溶液加熱至110-170°C，氣態(tài)二茂鐵與二甲苯混合物隨H2—同通入的加熱爐的中心區(qū)，生長時間15-120min;生長結(jié)束關閉H2通入Ar，并停止對二茂鐵與二甲苯溶液加熱； 在Ar氛圍下降溫至室溫取出樣品，得到碳納米管陣列-石墨烯的混合結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳納米管陣列與石墨烯混合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述配備的二茂鐵與二甲苯溶液溶度為2-9%。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳納米管陣列與石墨烯混合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述在石英管中同時放入催化劑二茂鐵、碳源二甲苯及生長碳納米管陣列和石墨烯混合結(jié)構(gòu)的硅襯底，且硅襯底不需要鍍催化劑層及緩沖層，并用小石英管套住以便控制住碳源與催化劑進入生長區(qū)的速度。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟(4)中的升溫速率為5-30/min，Ar流速為30-100sccm，石英管中的壓強為常壓。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳納米管陣列-石墨烯混合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟(5)所述通入H2的流量為50-100sccm，生長時間15-120min。
【文檔編號】C23C16/448GK106086811SQ201610413708
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月14日 公開號201610413708.9, CN 106086811 A, CN 106086811A, CN 201610413708, CN-A-106086811, CN106086811 A, CN106086811A, CN201610413708, CN201610413708.9
【發(fā)明人】王立, 郭守暉, 范定環(huán)
【申請人】南昌大學