石墨烯包覆金属颗粒及制备方法技术

本发明专利技术提供一种石墨烯包覆金属颗粒及制备方法，包括步骤：(1)将碳源与金属盐混合，然后置于高温炉中热处理，获得金属颗粒@碳材料，(2)将金属颗粒@碳材料置于石英管中，两端用铜丝或碳布堵住后置于反应室中进行处理，反应物两端接电源正、负极，反应室抽真空，对样品进行放电处理，即获得石墨烯包覆金属颗粒材料。本发明专利技术原料选用金属盐与碳源，成本低，可量产；调节金属盐和碳源的比例,可获得不同金属占比的产物，适用于不同的应用场景；与化学气相沉积比，耗时短；放电时产生的焦耳热直接作用于反应物能量利用率高；放电时温度高，可以获得高质量的金属颗粒@石墨烯。质量的金属颗粒@石墨烯。质量的金属颗粒@石墨烯。

【技术实现步骤摘要】
石墨烯包覆金属颗粒及制备方法


[0001]本专利技术属于石墨烯金属材料
，尤其是一种石墨烯包覆金属颗粒及制备方法。

技术介绍

[0002]金属颗粒(比如铜颗粒)因其高导电导热，在电子电器、国防工业等领域具有广阔的应用前景，但单一的金属颗粒常因自身缺点(比如铜颗粒易氧化)在应用上受到限制。
[0003]石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，具有极高的机械强度、超高的载流子迁移率等优异性能，被认为在诸多领域都有广阔的应用前景。
[0004]石墨烯包覆金属颗粒可以解决上述问题(比如石墨烯包覆铜颗粒可以解决铜的易氧化、提高其导电性、增加其散热性、提高其机械强度)。当前石墨烯包覆金属颗粒主要采用化学气相沉积法在金属颗粒表面生长石墨烯层，制备时涉及到气态碳源、高温炉高温长时间使用，耗时耗能，且气态碳源的使用比较危险；此外高温易使金属颗粒间团聚成块；而低温时，常无法达到碳源的裂解温度使碳难以沉积在金属颗粒上，或者低温裂解的碳源只是以无定形碳形式存在于金属表面，无法真正得到石墨烯包覆的金属颗粒。
[0005]现有技术中通过化学气相沉积(CVD)在金属颗粒表面包覆碳层/石墨烯层；或者通过普通高温炉加热金属颗粒与碳源来制备石墨烯包覆金属颗粒。
[0006]对CVD而言，一般使用气态碳源，气态碳源裂解温度高，如甲烷，温度在1000K以上才能获得较大裂解速率，接近铜熔点，金属铜熔融不再是颗粒形貌。或者通过高温炉操作，但此法常只能获得碳包覆的金属颗粒，产物导电性低。本专利技术的优势：1)避免CVD的高温长时间加热，避免金属熔融(如Cu)，2)产物较高温炉处理获得的产物，导电性优。

技术实现思路

[0007]本专利技术利用高温热处理获得生长有碳包覆的金属颗粒(金属颗粒@碳)，并通过瞬时大电流产生的高温(>2000℃)在短时间内将金属颗粒表面的碳转化成石墨烯，获得石墨烯包覆的金属颗粒(金属颗粒@石墨烯)。
[0008]为实现上述专利技术目的，本专利技术技术方案如下：
[0009]一种石墨烯包覆金属颗粒的制备方法，包括以下步骤：
[0010](1)碳包覆金属微米或纳米颗粒的制备：将碳源与金属盐混合，金属盐：碳源的质量比为1：(0.5～3)，采用研磨或球磨方式将二者混合均匀，然后置于200
‑
900℃的高温炉中热处理30
‑
240min，获得金属颗粒@碳材料，其为碳基材料上生长有碳包覆的金属微米或纳米颗粒；
[0011](2)石墨烯包覆金属颗粒的制备：将金属颗粒@碳材料置于石英管中，两端用铜丝或碳布堵住后置于反应室中进行处理，反应物两端接电源正、负极，反应室抽真空，30
‑
220V电压下，50
‑
1000ms时间内对样品进行放电处理，即获得石墨烯包覆金属颗粒材料。
[0012]作为优选方式，步骤(1)中金属盐和碳源的质量比为1：1或1：2或2：1。
[0013]其中，金属盐和碳源的质量比为2：1时金属占比最大，产物导电性最优；
[0014]金属盐和碳源的质量比＝1：1时金属占比介中；
[0015]金属盐和碳源的质量比＝1：2时金属占比最小，价廉的碳占比多，产物最便宜；导电性虽然较2：1差，但因为焦耳热处理使碳向石墨烯转变，最终产物的导电性也不会太差；
[0016]作为优选方式，碳源选自葡萄糖、蔗糖、聚合物其中一种；
[0017]并且/或者金属盐选自碱式碳酸铜、乙酸铜、碱式碳酸镍其中一种。
[0018]作为优选方式，步骤(1)中，通过调节碳源与金属盐的比例，来调节金属颗粒@碳材料中的金属颗粒含量；
[0019]通过提高原料中金属盐的质量占比来提高最终产物中的金属占比，并增加最终产物的导电性。
[0020]作为优选方式，步骤(1)中热处理温度为750℃时，步骤(2)的放电次数为2次，第一次为电压小于等于110V的低电压预处理，将反应物电阻降至几欧姆；第二次为电压大于110V的正式焦耳热处理。第一次放电预处理，样品电阻降低至几欧姆，才能使第二次放电时瞬间电流最大，产生的瞬间焦耳热才能最大，金属颗粒表面的碳层向石墨烯转变才能更充分。
[0021]作为优选方式，步骤(2)中150V电压下，400ms时间内对样品进行放电处理。
[0022]这样设置的依据是：电压过大，浪费能量。电压过小，能量太少，不能使碳向石墨烯的转变充分。放电时间过短，电压不能完全降至0V，会有电压剩余，浪费能量；放电时间过长，浪费时间。150V电压下，400ms时间作为优选方案，金属颗粒@碳向金属颗粒@石墨烯的转变非常充分，又不会浪费过多的电。
[0023]步骤(2)在放电时间适宜的情况下(300～1000ms)，放电的电压越大，样品的电阻越小，反应时瞬间电流就越大，最终金属颗粒@碳向金属颗粒@石墨烯的转变就越充分。
[0024]作为优选方式，步骤(1)中的热处理，采取分步连续的不同温度段进行热处理，第一温度段内进行热预处理，先进行金属盐与碳源的反应；升温后在第二温度段内进行热处理，实现碳的石墨化转变过程。
[0025]并且/或者步骤1中的热处理，通过提高第二温度段的热处理温度来提高中间产物金属颗粒@碳的导电性。
[0026]作为优选方式，步骤(1)具体为：
[0027]称取各6.66g的葡萄糖和3.33g一水合碱式碳酸铜，研磨15min使二者混合均匀，在热处理前先进行热预处理，热预处理具体为：以5℃/min的升温速率从室温升至335℃，200sccm氩气为保护气，热处理60min；
[0028]然后再进行热处理：以5℃/min的升温速率从335℃升至750℃，200sccm氩气为保护气，处理60min。
[0029]作为优选方式，步骤(2)具体为：
[0030]称取180mg的步骤(1)制备的金属颗粒@碳材料置于长50mm、内径4mm、外径6mm的石英管中，两端用细铜丝堵住后置于反应室中，两端接正、负极，反应室抽真空处理，在150V电压下、400ms时间内对样品进行放电处理，待电压降至0V，即获得石墨烯包覆金属颗粒。
[0031]本专利技术还提供一种所述的制备方法得到的石墨烯包覆金属颗粒。
[0032]本专利技术的专利技术原理为：
[0033]第1步中，碳源与金属盐的热处理，碳源将金属盐分解的金属氧化物还原成金属颗粒后，获得金属颗粒@碳。同时，热处理提高了金属颗粒表面碳层的石墨化程度，增加了金属颗粒@碳的导电性，有利于放电处理。
[0034]第2步中，瞬间的大电流产生的能量，让金属颗粒@碳表面的碳原子重排形成石墨烯、让未充分还原的金属氧化物进一步还原成金属颗粒，并最终获得金属颗粒@石墨烯。
[0035]本专利技术的有益效果为：
[0036](1)原料选用金属盐与碳源，成本低，可量产。
[0037](2)调节金属盐和碳源的比例,可获得不同金属占比的产本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯包覆金属颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)碳包覆金属微米或纳米颗粒的制备：将碳源与金属盐混合，金属盐：碳源的质量比为1：(0.5～3)，采用研磨或球磨方式将二者混合均匀，然后置于200
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900℃的高温炉中热处理30
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240min，获得金属颗粒@碳材料，其为碳基材料上生长有碳包覆的金属微米或纳米颗粒；(2)石墨烯包覆金属颗粒的制备：将金属颗粒@碳材料置于石英管中，两端用铜丝或碳布堵住后置于反应室中进行处理，反应物两端接电源正、负极，反应室抽真空，30
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220V电压下，50
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1000ms时间内对样品进行放电处理，即获得石墨烯包覆金属颗粒材料。2.根据权利要求1所述的石墨烯包覆金属颗粒的制备方法，其特征在于：步骤(1)中金属盐和碳源的质量比为1：1或1：2或2：1。3.根据权利要求1所述的石墨烯包覆金属颗粒的制备方法，其特征在于：碳源选自葡萄糖、蔗糖、聚合物其中一种；并且/或者金属盐选自碱式碳酸铜、乙酸铜、碱式碳酸镍其中一种。4.根据权利要求1所述的石墨烯包覆金属颗粒的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，通过调节碳源与金属盐的比例，来调节金属颗粒@碳材料中的金属颗粒含量；通过提高原料中金属盐的质量占比来提高最终产物中的金属占比，并增加最终产物的导电性。5.根据权利要求1所述的石墨烯包覆金属颗粒的制备方法，其特征在于：步骤(1)中热处理温度为750℃时，步骤(2)的放电次数为2次，第一次为电压小于等于110V的低电压预处理，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李雪松，周聪俐，青芳竹，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：