專利名稱：一種二維碳化物的模板限制合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于低維納米碳化物材料的制備領(lǐng)域，具體涉及一種利用石墨烯模板限制合成二維碳化物的方法。
背景技術(shù)：
二維碳化物(TiC、SiC等)是一類低維納米結(jié)構(gòu)的功能陶瓷材料，由于具有各向異性的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和機械等性能，二維碳化物在電子、信息、能源和納米科技領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。與零維、一維材料相比，二維碳化物更易使用傳統(tǒng)的機械或激光刻蝕、溶膠凝膠和化學(xué)氣相沉積等技術(shù)來加工。它 通過與半導(dǎo)體工藝相結(jié)合，使各種低維納米結(jié)構(gòu)器件的制作和應(yīng)用成為可能。然而，目前針對二維碳化物材料的制備及性能的研究尚處于剛剛起步階段，對二維結(jié)構(gòu)所帶來的顯著區(qū)別于宏觀材料的金屬、絕緣、隔熱、超導(dǎo)、磁學(xué)等特性的研究還不夠深入。而現(xiàn)有方法所生長的二維碳化物大多需要借助基底的支撐，機械強度低，難以從基底上進行較大面積剝離，這在一定程度上限制了自支撐二維碳化物材料的發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用。石墨是自然界最為常見的片層材料，由于層間原子存在較弱的范德華力，石墨材料可通過微機械剝離法來獲得自支撐的片層材料，即石墨烯。這種以碳原子通過SP2雜化方式連接的平面二維晶體表現(xiàn)出優(yōu)異的電子、機械和表面化學(xué)等性質(zhì)，為二維納米結(jié)構(gòu)器件的應(yīng)用研究開辟了廣闊的發(fā)展空間。與石墨烯的剝離過程相似，國內(nèi)外研究者相繼實現(xiàn)了 BN、MoS2, TaS2和NbSe2等二維晶體材料的制備。然而，與此類二維結(jié)構(gòu)相似的碳化物材料至今卻很少報道。模板限制反應(yīng)法是一種利用模板形狀的限制作用實現(xiàn)對產(chǎn)物形貌進行有效調(diào)控的反應(yīng)性模板合成方法。該方法在材料制備過程中無需考慮模板的去除工藝，因為模板在限制目標(biāo)產(chǎn)物生長的同時不斷被消耗掉。例如，利用生物質(zhì)二氧化硅(硅藻土)模板的低溫鎂熱還原反應(yīng)可以制備出維持硅藻殼形貌的多孔硅復(fù)制物(參見中國發(fā)明專利申請201110149645. 8);利用碳納米管模板與揮發(fā)性金屬氧化物在氨氣中反應(yīng)可制備出與一維氮化硅、氮化鎵納米棒材料(參見中國發(fā)明專利97100646. 6)。而作為一種典型的二維材料，石墨烯也是一種較為理想的反應(yīng)物模板，可被用來合成一系列碳基二維納米結(jié)構(gòu)材料。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種石墨烯模板限制反應(yīng)合成二維碳化物的方法。本發(fā)明所提供的技術(shù)方案如下
一種二維碳化物的制備方法，以石墨烯為模板，通過與揮發(fā)性金屬鹵化物蒸氣反應(yīng)，模板限制合成與石墨烯形貌相似的二維碳化物材料，具體步驟如下
(I)將石墨烯(O和鹵素單質(zhì)O2)密封于真空石英管的一端，在另一端放置金屬(#)，其中，金屬(#):鹵素單質(zhì)O2):石墨烯(CO的摩爾比為I: (2-5) : (O. 1-2. I)；(2)將真空石英管中放置石墨烯的一端置于管式爐的較高恒溫區(qū)，在500-1200 °C溫度下，充分反應(yīng)1-48小時，另一端置于溫度較低的非恒溫區(qū)。(3)待反應(yīng)結(jié)束并自然冷卻至室溫后，打開真空石英管，取出原先放置石墨烯一端的產(chǎn)物，用有機溶劑清洗后干燥獲得二維碳化物材料。本發(fā)明的反應(yīng)過程用方程式表示如下，
權(quán)利要求
1.ー種ニ維碳化物的模板限制合成方法，其特征在于具體步驟如下 (1)將石墨烯和鹵素單質(zhì)密封于真空石英管的一端，在另一端放置金屬，其中，金屬鹵素單質(zhì)石墨烯的摩爾比為I: (2-5) : (O. 1-2. I)； (2)將真空石英管中放置石墨烯的一端置于管式爐的恒溫區(qū)，在500-1200で溫度下，反應(yīng)1-48小時，真空石英管另一端置于非恒溫區(qū)； (3)待反應(yīng)結(jié)束并自然冷卻至室溫后，打開真空石英管，取出原先放置石墨烯ー端的產(chǎn)物，用有機溶劑清洗后干燥，獲得ニ維碳化物材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ニ維碳化物的模板限制合成方法，其特征在于，步驟(I)中所述石墨烯為單層石墨烯或多層石墨烯中任ー種。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ニ維碳化物的模板限制合成方法，其特征在于，步驟(I)中所述金屬選自 Ti、Nb、Ta、Hf、V、Zr、Cr、W、Fe、Ni 或 Mo 中任ー種。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ニ維碳化物的模板限制合成方法，其特征在于，所述鹵素單質(zhì)為12、Br2或Cl2中任ー種。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ニ維碳化物的模板限制合成方法，其特征在于，步驟(3)中所述有機溶劑為無水こ醇。
全文摘要
本發(fā)明屬于低維納米碳化物材料的制備領(lǐng)域，具體為一種二維碳化物的模板限制合成方法，該方法以石墨烯為二維結(jié)構(gòu)模板，通過石墨烯與揮發(fā)性金屬鹵化物的氣-固相反應(yīng)，最終獲得了自支撐的二維碳化物材料。本發(fā)明提供的方法相對于現(xiàn)有的碳化物薄膜制備技術(shù)，不需要基底的輔助支撐來生長碳化物，產(chǎn)物的形貌結(jié)構(gòu)可通過調(diào)節(jié)模板的種類、大小和結(jié)構(gòu)來控制。此外，該方法避免使用價格昂貴的薄膜加工儀器，制備成本相對低廉，環(huán)境友好，制備工藝簡單，重復(fù)性好，在高溫催化、新興能源、光電器件、生物醫(yī)藥和氣敏器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號C01B31/30GK102815698SQ20121023967
公開日2012年12月12日 申請日期2012年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月12日
發(fā)明者包志豪, 陳珂, 邢安 申請人:同濟大學(xué)