连续两步制备单晶碳化硅/石墨烯复合纳米纤维的方法技术

本发明专利技术公开了一种连续两步制备单晶碳化硅/石墨烯复合纳米纤维的方法。该方法的步骤如下：是通过溶胶‑凝胶法制备含碳凝胶，在高温中通过高温碳热还原法合成碳化硅纳米纤维；在高温加热下，碳化硅纤维表面脱硅，制得单晶碳化硅/石墨烯复合纳米纤维。该方法利用制得的高比表面积碳化硅纳米纤维，制得同样高比表面积的单晶碳化硅/石墨烯复合纳米纤维。单晶碳化硅/石墨烯复合纳米纤维结合了石墨烯的优异性能及碳化硅宽禁带半导体材料的性能也表现了纳米纤维一维纳米结构材料的性能，具有制备工艺简单、产品无污染、产物纯度高等优点。本发明专利技术在纳米光电子器件、柔性电子、锂离子电池电极材料、能量存贮和纳米复合材料等领域具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石墨烯的制备方法，尤其是涉及一种连续两步法制备单晶碳化硅/石墨烯复合纳米纤维。
技术介绍
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2方式杂化组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，2004年Manchester大学的Novoselov等人采用Scotch胶带通过微机械剥离法获得稳定、独立存在的单层石墨烯，第一个发现了真正的二维晶体，发现至今一直吸引各领域科研工作者投入其中，掀起石墨烯的研究高潮。石墨烯中，每个碳原子都具有四个价电子，其中每一个碳原子以三个共价键与另外三个原子相连形成三个σ键，六个碳原子在同一个平面上形成了正六边形的环伸展形成了片状二维平面结构，每个在垂直于石墨层的方向上还剩余的一个2p 轨道和一个价电子与近邻原子相互作用形成贯穿于整个石墨层的大π键。碳原子之间共价键，键长属于原子键长范围，属于原子晶体，因而石墨烯具有大的弹性模量和强度。哥伦比亚大学Changgu Lee等人发现石墨烯的弹性模量和抗拉强度分别为1.1 TPa和125 GPa；碳原子还各剩一个P 轨道，且相互重叠，形成一个大π键，不同寻常的电子结构使其具有独特的电学性质，电子在石墨烯中的费米速度为106 m/s,约为光速的1/300，且不依赖于能量或动量，石墨烯还独特的的光学特性和高热导率的热学性质。从石墨烯的发现至今，科研工作者们发展了许多制备石墨烯的方法，例如：机械剥离法、CVD生长法、碳化硅外延生长法、化学法等等。其中碳化硅外延生长法是在碳化硅衬底上生长石墨烯，最大的优点是通过相对简单的方法可以制备大面积石墨烯（原则上大小由衬底大小决定）。通过高温加热使单晶碳化硅( 0001 )面脱除硅,从而获得其表面外延的石墨烯。碳化硅半导体材料具有间接宽禁带、大的击穿电场、高的热导率和高的电子饱和漂移速度等特点。单晶碳化硅/石墨烯复合纳米纤维结合了石墨烯的优异性能及碳化硅半导体材料的性能也表现了纳米纤维一维纳米结构材料的优异性能，单晶碳化硅/石墨烯复合纳米纤维的制备过程工艺简单、产品无污染、产物纯度高等优点。碳化硅纳米纤维/石墨烯复合纳米纤维在纳米光电子器件、柔性电子、锂离子电池电极材料、能量存贮和纳米复合材料等领域具有广泛的应用前景。目前，国内外倘无关于碳化硅纳米纤维/石墨烯复合纳米纤维的制备的相关报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供连续两步制备单晶碳化硅/墨烯复合纳米纤维的方法，连续两步法制备单晶碳化硅/石墨烯复合纳米纤维，首先第一步高温碳热还原法合成碳化硅纳米纤维；第二步采用硅升华法通过高温加热使碳化硅表面脱硅，获得单晶碳化硅/石墨烯复合纳米纤维。本专利技术采用的技术方案的步骤如下：步骤1) 高温碳热还原法合成碳化硅纳米纤维制备：是通过溶胶-凝胶法制备含碳凝胶，干燥后，研磨成含碳的干凝胶粉，所述干凝胶粉置于刚玉坩埚底部，放入高温管式炉内，抽真空充入保护气体；加热升温，保温烧结再冷却至常温，开炉发现坩埚内长满绿色碳化硅纳米纤维，经表征该产物为闪锌矿结构立方的碳化硅纳米纤维；步骤2) 采用硅升华法通过高温加热使碳化硅纳米纤维表面脱硅：是将步骤1)中的碳化硅纳米纤维再次加热升温，高温环境下保温，同时用高可靠性真空泵持续抽真空，在高真空度、高温环境下，碳化硅纳米纤维表面脱除硅，制得单晶碳化硅/石墨烯复合纳米纤维。所述溶胶-凝胶法制备含碳凝胶的步骤为：将正硅酸乙酯溶解于无水乙醇中，加入草酸以加速正硅酸乙酯水解，草酸稀释至0.01 mol/L，正硅酸乙酯、无水乙醇、水和草酸的摩尔比为1：0.86：4：7.2×10-4，然后加入可膨胀石墨，磁力搅拌配制含碳凝胶；其中正硅酸乙酯和可膨胀石墨比例，保证碳与硅的摩尔比为1：1，成凝胶后置于烘箱内干燥。所述步骤1) 中加热升温为1500℃，保温烧结2 ~ 6 h。所述步骤2) 再次加热升温为1200 ~ 1500℃，高温环境下保温时间为0.5~2 h，真空度保持在1 P ~ 1×10-2 MP。本专利技术与
技术介绍
相比，具有的有益的效果是：碳化硅纳米纤维/石墨烯复合纳米纤维与碳化硅体单晶外延生长法的石墨烯相比，由于制得的碳化硅纳米纤维具有高比表面积，以碳化硅纳米纤维为衬底外延出的石墨烯同样具有高比表面积，单晶碳化硅/石墨烯复合纳米纤维结合了石墨烯的优异性能及碳化硅半导体材料的性能也表现了纳米纤维一维纳米结构材料的优异性能，同时单晶碳化硅/石墨烯复合纳米纤维的制备过程工艺简单、产品无污染、产物纯度高等优点。碳化硅纳米纤维/石墨烯复合纳米纤维在纳米光电子器件、柔性电子、锂离子电池电极材料、能量存贮和纳米复合材料等领域具有广泛的应用前景。附图说明图1是本专利技术实施例6的产物单晶碳化硅/石墨烯复合纳米纤维的拉曼图谱。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1：本实施例一种连续两步制备单晶碳化硅/石墨烯复合纳米纤维的方法步骤如下：步骤a. 将正硅酸乙酯溶解于无水乙醇中，加入草酸以加速正硅酸乙酯水解，草酸稀释至0.01 mol/L，正硅酸乙酯、无水乙醇、水和草酸的摩尔比为1：0.86：4：7.2×10-4，然后加入可膨胀石墨，磁力搅拌配制含碳凝胶；其中正硅酸乙酯和可膨胀石墨比例，保证碳与硅的摩尔比为1：1，成凝胶后置于烘箱内干燥；步骤b. 含碳凝胶干燥后，研磨成粉状的干凝胶粉置于刚玉坩埚底部，并放入高温管式炉内，抽真空并充入保护气体氩气，加热升温1500℃，保温烧结2 h，再冷却至常温，开炉得到闪锌矿结构立方的碳化硅纳米纤维；步骤c.制得的碳化硅纳米纤维连续再次加热升温至1200℃，高温环境下保温，同时用高可靠性真空泵持续抽真空2 h，真空度保持在1×10-2 MP，在高真空度、高温环境下，碳化硅纤维表面脱除硅。实施例2：步骤a与实施例1步骤a相同；步骤b. 含碳凝胶干燥后，研磨成粉状的干凝胶粉置于刚玉坩埚底部，并放入高温管式炉内，抽真空并充入保护气体氩气，加热升温1500℃，保温烧结4h，再冷却至常温，开炉得到闪锌矿结构立方的碳化硅纳米纤维；步骤c.制得的碳化硅纳米纤维连续再次加热升温至1400℃，高温环境下保温，同时用高可靠性真空泵持续抽真空1 h，真空度保持在1×10-3 MP，在高真空度、高温环境下，碳化硅纤维表面脱除硅。实施例3：步骤a与实施例1步骤a相同；步骤b. 含碳凝胶干燥后，研磨成粉状的干凝胶粉置于刚玉坩埚底部，并放入高温管式炉内，抽真空并充入保护气体氩气，加热升温1500℃，保温烧结4 h，再冷却至常温，开炉得到闪锌矿结构立方的碳化硅纳米纤维；步骤c.制得的碳化硅纳米纤维连续再次加热升温至1400℃，高温环境下保温，同时用高可靠性真空泵持续抽真空0.5 h，真空度保持在1 P，在高真空度、高温环境下，碳化硅纤维表面脱除硅。实施例4：步骤a与实施例1步骤a相同；步骤b. 含碳凝胶干燥后，研磨成粉状的干凝胶粉置于刚玉坩埚底部，并放入高温管式炉内，抽真空并充入保护气体氩气，加热升温1500℃，保温烧结4 h，再冷却至常温，开炉得到闪锌矿结构立方的碳化硅纳米纤维；步骤c.制得的碳化硅纳米纤维连续再次加热升温至1500℃，高温环境下保温，同时用高可靠性真空泵持续抽真空1h，真空度保持在1×10-2 MP，在高真空度、高温环境本文档来自技高网...

【技术保护点】
连续两步制备单晶碳化硅/石墨烯复合纳米纤维的方法，其特征在于：步骤1) 高温碳热还原法合成碳化硅纳米纤维制备：是通过溶胶‑凝胶法制备含碳凝胶，干燥后，研磨成含碳的干凝胶粉，所述干凝胶粉置于刚玉坩埚底部，放入高温管式炉内，抽真空充入保护气体；加热升温，保温烧结再冷却至常温，开炉发现坩埚内长满绿色碳化硅纳米纤维，经表征该产物为闪锌矿结构立方的碳化硅纳米纤维；步骤2) 采用硅升华法通过高温加热使碳化硅纳米纤维表面脱硅：是将步骤1)中的碳化硅纳米纤维再次加热升温，高温环境下保温，同时用高可靠性真空泵持续抽真空，在高真空度、高温环境下，碳化硅纳米纤维表面脱除硅，制得单晶碳化硅/石墨烯复合纳米纤维。

【技术特征摘要】
1.连续两步制备单晶碳化硅/石墨烯复合纳米纤维的方法，其特征在于：步骤1) 高温碳热还原法合成碳化硅纳米纤维制备：是通过溶胶-凝胶法制备含碳凝胶，干燥后，研磨成含碳的干凝胶粉，所述干凝胶粉置于刚玉坩埚底部，放入高温管式炉内，抽真空充入保护气体；加热升温，保温烧结再冷却至常温，开炉发现坩埚内长满绿色碳化硅纳米纤维，经表征该产物为闪锌矿结构立方的碳化硅纳米纤维；步骤2) 采用硅升华法通过高温加热使碳化硅纳米纤维表面脱硅：是将步骤1)中的碳化硅纳米纤维再次加热升温，高温环境下保温，同时用高可靠性真空泵持续抽真空，在高真空度、高温环境下，碳化硅纳米纤维表面脱除硅，制得单晶碳化硅/石墨烯复合纳米纤维。2.根据权利要求1所述的连续两步制备单晶碳化硅/石墨烯复合纳米纤维的方法，其特征在于：所述溶胶...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建军，丁丽娟，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33