本发明专利技术的课题是提供一种三维石墨烯管及其制备方法。石墨烯管的直径为10nm～5mm，长度为50nm～5mm，所述石墨烯的层数为1～100。方法包括：以金属线或金属丝作为催化剂模板通过化学气相沉积法使碳源在所述金属线或金属丝的外表面直接生成石墨烯覆层形成石墨烯/金属线或金属丝复合结构的工序A；通过刻蚀去除金属线或金属丝的工序B，从而获得三维石墨烯管。本发明专利技术提供的石墨烯管，具有优异的导电性能和耐腐蚀性。本发明专利技术提供的工艺简单，过程易控制，导电性能优异，制备成本低，适合于太阳能器件、储能电池、导电复合材料和耐腐蚀领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及纳米材料
，具体涉及一种。
技术介绍
石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构，它是构建OD的富勒稀，ID的碳纳米管和3D的石墨等碳基材料的基本单兀。石墨稀独特的晶体结构使其具有优异性质，如高热导性、高机械强度、奇特的电学性质和光学性质，因此具有重要的理论研究价值，而且其独特的结构和优异的性能有可能使它在多个领域获得重大的实际应用，为未来的经济、社会发展提供新的有力增长点(K. S. Novoselov, et al. Science 2004,306, 666.)。从光学角度来说石墨烯高度透明，可见-近红外光的吸收为 2. 3% (R. Nair, et al. Science 2008，320，1308.);石墨烯避免了传统透明导电氧化物在近红外的光吸收，有助于利用900-1200nm的近红外太阳能，实现充分利用太阳能。从电输运而言，载流子迁移率高达20，OOOcm2X V4 X S4,远优于常见的氧化物透明导电薄膜(A. Geim, Nat. Mater. 2007, 6,183.);石墨稀的载流子浓度远远低于导电碳管和石墨，石墨稀的闻迁移率和低载流子浓度有利于电荷快速迁移，提闻太阳能电池收集电荷能力，提闻光电转换效率，从而在裡尚子电池、太阳能电池等可再生能源领域具有广阔的应用前景。与上述应用中目前广泛采用的相关材料相比，石墨烯具有成本低的优点，可由价廉易得的石墨为原料来制备，并且成膜可通过简单的湿化学方法来实现，因而具备其他材料无法比拟的价格优势。目前，研究人员也通过化学剥离法、电孤放电法和化学气相沉积法制备出石墨烯材料，并通过控制生长条件和后续的处理已经制备出石墨烯薄膜和三维石墨烯网络结构，在太阳能器件、储能电池及导电复合材料领域具有广阔的应用前景。。公开号CN102176338A公开一种供一种复合导电材料,所述复合导电材料是由粘接剂将石墨烯与铜纳米线复合而成而获得的复合导电材料。此外，有文献公开采用低压化学气相沉积法，但所述方法制备的石墨烯结构缺陷多。然而，目前尚未有在常压条件下直接以金属线或金属丝作为催化剂模板在金属线或金属丝沉积制得三维石墨烯/金属线或金属丝复合结构、进而通过去除金属线或金属丝制备石墨烯管状结构的报道。
技术实现思路
面对现有技术存在的上述问题，本专利技术人意识到采用金属线或金属丝作为催化模板，利用化学气相沉积法直接沉积石墨烯，获得石墨烯/金属线或金属丝复合结构。并利用刻蚀液去除金属线或金属丝后，可以制备出导电性及耐腐性优异的三维石墨烯管。在此,本专利技术提供一种三维石墨烯管,所述石墨烯管的直径为IOnm 5mm,长度为50nm 5mm,所述石墨烯的层数为I 100。较佳地,三维石墨烯管的直径为80nm 100 μ m。较佳地，三维石墨烯管的层数为I 20。较佳地，三维石墨烯管的长度为IOOnm 100 μ m。较佳地，本专利技术的三维石墨烯管是以金属线或金属丝作为催化剂模板通过化学气相沉积法使碳源在所述金属线或金属丝的外表面直接生成石墨烯覆层形成石墨烯/金属线或金属丝复合结构、之后去除金属线或金属丝而制得的三维石墨烯管。本专利技术采用在常压条件下化学气相沉积法制备三维石墨烯管，其制备方法简单， 无需真空设备，制备成本低廉，生长的石墨烯结构完整无缺陷。又，本专利技术还提供一种三维石墨烯管的制备方法，该方法包括以金属线或金属丝作为催化剂模板通过化学气相沉积法使碳源在所述金属线或金属丝的外表面直接生成石墨烯覆层形成石墨烯/金属线或金属丝复合结构的工序A ;通过刻蚀去除金属线或金属丝的工序B，从而获得三维石墨烯管。优选地，工序A还包括将作为催化模板的金属线或金属丝放入化学气相沉积反应室，导入氢气和保护气，加热至反应温度400 1200°C，恒温O 60分钟的工序Al ;导入碳源进行反应的工序A2 ;冷却至室温，获得三维石墨烯/金属线或金属丝复合结构的工序A3。优选地，本专利技术的制备方法中，还包括在所述工序B之前在获得的所述三维石墨烯/金属线或金属丝复合结构表面形成一层骨架材料，形成骨架材料/石墨烯/金属线或金属丝复合结构的工序BI，以及在所述工序B之后去除骨架材料的工序B2。可以通过将聚偏氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷溶解于水、乙醇、丙酮、N, N 二-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或苯甲醚溶剂中制成的溶液在所述三维石墨烯/金属线或金属丝复合结构表面干燥而形成上述骨架材料。在通过刻蚀去除金属线或金属丝之后，可以利用乙醇、异丙醇、丙酮或它们的混合溶剂移除石墨烯表面的骨架材料。此外，刻蚀过程采用的刻蚀液可以为盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸、三氯化铁或它们的混合溶液，刻蚀温度为30-80°C，刻蚀时间为20-800min。此外，作为本专利技术催化剂模板的金属线可以采用纳米铁线、纳米铜线、纳米钴线、 纳米镍线、纳米钌线、纳米钥线、纳米银线、纳米钼线、纳米铱线、纳米IE线、纳米钛线、纳米镐线、纳米铊线、纳米钨线、纳米钒线或它们的合金纳米线。金属线可以由金属盐和还原剂采用水热法制备。此外，金属线还可以利用金属盐溶液通过电化学沉积制备。例如使金属盐溶液在多孔阳极氧化铝模板上通过电化学沉积制备。作为催化模板的金属线有助于碳源分子裂解，能使裂解后产生碳在其中形成饱和固溶体。作为本专利技术催化剂模板的金属丝可以是商用的铁丝、铜丝、钴丝、镍丝、钌丝、钥丝、铌丝、钼丝、铱丝、钯丝、钛丝、镐丝、铊丝、钨丝、钒丝或它们的合金丝。作为催化模板的金属丝有助于碳源分子裂解，能使裂解后产生碳在其中形成饱和固溶体。作为本专利技术为生成石墨烯导入的碳源，可以是甲烷、乙烯、乙炔、乙烷、丙烷、丙烯或它们的混合气体的气态碳源，甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、丙酮、甲苯、N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺或它们的混合液体的液态碳源，或聚偏氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷或它们的混合物的固态碳源。在金属线或金属丝与碳源的反应体系中导入的保护气可以为氮气、氩气、氦气或它们的混合气体。导入的反应过程中导入保护气流量为I lOOOsccm，氢气流量为I 500sccm，气态碳源为I 200sccm。反应过程中导入的保护气和氢气气体流量比为O. I 100，保护气和气态碳源气体流量比为I 1000，优选为保护气和氢气气体流量比为I 10，保护气和气态碳源气体流量比为I 30。碳源与金属线或金属丝的反应时间可以控制在I分钟 20小时。优选为10分钟 120分钟。当反应完成，可以控制降温速率为10 300°C /min。优选为100 300°C /mirio本专利技术提供的三维石墨烯/金属线或金属丝复合结构、石墨烯管，具有优异的导电性能和耐腐蚀性。本专利技术提供的工艺简单，过程易控制，导电性能优异，制备成本低，适合于太阳能器件、储能电池、导电复合材料和耐腐蚀领域。附图说明图I示出本专利技术石墨烯/镍丝复合结构的扫描电镜照片；图2示出本专利技术三维石墨烯管的扫描电镜照片；图3示出本专利技术石墨烯/镍丝复合结构的Raman光谱；图4示出对比例镍丝和本专利技术石墨烯/镍丝复合结构的耐腐蚀数码照片；图5示出本专利技术石墨烯/铜纳米线复合结构的透射电镜照片；图6示出本专利技术石墨烯/铜纳米线复本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：黄富强，毕辉，林天全，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：
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