CN106629690A - 一种补强三维石墨烯多孔材料结构的方法 - Google Patents

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王开丽
陈澄
牛家嵘
傅宏俊
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    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
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    • C01B2204/20—Graphene characterized by its properties
    • C01B2204/22—Electronic properties

Abstract

一种补强三维石墨烯多孔材料结构的方法，具体步骤包括：将湿法制备的三维石墨烯多孔材料在微波等离子体沉积***中处理，利用等离子体技术在材料表层和孔洞内壁沉积碳材料，补强三维石墨烯骨架结构，使得孔洞内壁石墨烯片层之间形成良好的桥接作用，弥补湿法造成的三维石墨烯多孔材料内部缺陷，使石墨烯片无缝连接，构成一个致密连通的网络结构，得到一种机械强度高、导电性能好、热学性能稳定的高性能多孔材料。

Description

一种补强三维石墨烯多孔材料结构的方法
技术领域
本发明涉及纳米材料，属于三维石墨烯多孔材料增强技术领域，具体为一种补强三维石墨烯多孔材料结构的方法。
背景技术
石墨烯即碳原子以sp2杂化轨道连接而成的二维晶体结构，其完美的碳晶体结构赋予了石墨烯特殊的物理化学特性：卓越的机械性能、优异的导电、导热性能等。近年来，国内外科研工作者将二维石墨烯片组装成三维石墨烯多孔材料，这种多孔材料展现出超低的密度、极高的孔隙率和较高的比表面积等特点。相对于传统材料而言，三维石墨烯多孔材料在能量储存和转换、活性电极材料、传感器、环境治理、复合材料增强、电磁屏蔽和生物医药等领域具有巨大的应用潜力和发展空间。
根据原料初始状态不同，制备三维石墨烯多孔材料的方法可分为干法和湿法。干法一般是利用化学气相沉积技术，以烃类气体为碳源，经高温裂解成碳原子在基体析出成核促使石墨烯原位生长，石墨烯片以共价键方式连接成为一个完整的网络结构，因此表现出超高的性能。但是这种方法对设备的投资极大，能源消耗多，实现大规模生产仍然具有极大的挑战。湿法涵盖了以氧化石墨烯溶液为原料制备三维石墨烯多孔材料的所有方法，包括水热法、化学还原自组装法、溶胶-凝胶法和模板法等。此法具有生产成本低廉、制备简单和实用性强等特点，有利于进行大规模生产。但是在湿法制备的三维石墨烯多孔材料中，石墨烯片缺陷较多且容易发生团聚，难以形成良好的搭接，致使三维石墨烯多孔材料各方面性能达不到预期效果。
发明内容
为了弥补湿法制备的三维石墨烯多孔材料的诸多缺陷，需要对其进行补强处理。针对这个问题，我们提出了一种利用微波等离子体补强三维石墨烯多孔材料结构的方法。即把湿法制备的三维石墨烯多孔材料放在微波等离子体***中处理，利用等离子体技术在材料表层和内壁沉积碳材料，补强三维石墨烯骨架结构，这种方法使其孔洞内壁石墨烯片层之间形成良好的桥接作用，弥补湿法制备的三维石墨烯多孔材料内部缺陷，使得石墨烯片无缝连接，构成一个致密连通的网络，维持三维结构的完整性，得到一种机械强度高、导电性能好、热学性能稳定的高性能多孔材料。
为了实现上述目的，所采取的技术方案：一种补强三维石墨烯多孔材料结构的方法，包括以下步骤：
一、将湿法制备的三维石墨烯多孔材料碳化处理后浸渍在催化剂溶液中，静置2～12h，然后将三维石墨烯多孔材料取出干燥。
所述的碳化温度为200～1000℃，碳化氛围为氮气、氩气、氦气等惰性气体。
所述的催化剂选自硝酸铁、硝酸镍、硝酸钴等具有催化性的金属盐类。
所述的干燥过程为：温度30～200℃，时间为1～12h。
二、将含有催化剂的三维石墨烯多孔材料放在微波等离子体***中，利用等离子体技术，在一定压强和辅助气体氛围中，调节功率活化三维石墨烯多孔材料上附着的催化剂，保持恒定的压强，并在一定功率下，通入碳源气体，在三维石墨烯多孔材料的表层和内壁沉积碳材料，获得补强处理的三维致密连通石墨烯多孔材料。
所述微波等离子体沉积***中：活化催化剂的功率为50～400W，产生等离子体源的压强为100～1000Pa、功率为50～800W，碳材料的沉积时间为1～30min。
所述的等离子体沉积***的辅助气体选自氢气、氩气、氮气、氦气等气体中的一种或几种，气体通量为9～150sccm，通入时间为5～60min。
所述的等离子体沉积***的碳源气体选自甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、乙炔、丙炔、丁炔、乙烯、丙烯、丁烯等气体中一种或几种，气体通量为3～100sccm，通入时间为1～40min。
所述的等离子体沉积***中通入的碳源和辅助气体通量比为1∶2～1∶30。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明提供的一种补强三维石墨烯多孔材料结构的方法进行详细说明。
实施例1：
(1)把水热法制成的三维石墨烯多孔材料放在氮气氛围下的管式炉内200℃碳化处理2h。按1∶12的质量比将4g硝酸镍溶解在48g乙醇中，搅拌至硝酸镍完全溶解，然后将碳化后较稳定的三维石墨烯多孔材料浸渍在上述溶液中5h取出，真空烘箱中烘干。
(2)将含有硝酸镍的三维石墨烯多孔材料放置在微波等离子体***的石英腔体真空室中，使得三维石墨烯多孔材料充分置身于等离子体氛围中，紧接着调节***压强至200Pa，然后按39.5sccm通入持续稳定的氢气，开启等离子体源，调节功率至200W，活化催化剂；保持压强、功率、氢气通量恒定，按13.5sccm通入甲烷气体，使得碳材料在三维石墨烯多孔材料中的沉积时间为3min。然后将其从腔体内取出在真空环境中冷却3h，即得到了表层和内壁沉积碳材料的三维致密连通多孔材料。
实施例2：
(1)把溶胶-凝胶法制成的三维石墨烯多孔材料放在氮气氛围下的管式炉内400℃碳化处理2h。按1∶6质量比将6g硝酸铁溶解在36ml去离子水中，搅拌至硝酸铁完全溶解，然后将碳化后较稳定的三维石墨烯多孔材料浸渍在上述溶液中7h取出，真空烘箱中烘干。
(2)将含有硝酸铁的三维石墨烯多孔材料放置在微波等离子体***的石英腔体真空室内，使得三维石墨烯多孔材料充分置身于等离子体氛围中，然后腔体内抽真空，接着调节***压强至300Pa，然后按16sccm和20sccm分别通入氩气、氢气，通入气体的同时保持腔体内压强不变，调节功率至300W使得催化剂活化，然后在催化剂体系形成后保持压强、功率不变，按12sccm通入甲烷气体，使得碳材料在三维石墨烯多孔材料中的沉积时间为10min。然后从腔体内取出在真空环境中冷却4h，即得到了表层和内壁沉积碳材料的三维致密连通多孔材料。
实施例3：
(1)把化学组装法制成的三维石墨烯多孔材料放在氩气氛围下的管式炉内500℃碳化处理3h。按1∶8质量比将4g硝酸钴溶解在32ml去离子水中，搅拌至硝酸钴完全溶解，然后将热处理好的三维石墨烯多孔材料浸渍在上述溶液中5h取出，真空烘箱中烘干。
(2)将含有硝酸钴的三维石墨烯多孔材料放在微波等离子体***的石英腔体真空室内，使得三维石墨烯多孔材料充分置身于等离子体氛围中，然后关闭阀门，腔体内抽真空。接着调节***压强至200Pa，然后按36.5sccm通入持续稳定的氢气，开启等离子体源，调节功率400W使催化剂活化，待催化剂体系形成后维持压强、功率不变，按13.5sccm通入气流稳定的甲烷气体，使碳材料在三维石墨烯多孔材料中的沉积时间为15min。然后将其从腔体内取出在真空环境中冷却6h，即得到了表层和内壁沉积碳材料的三维致密连通多孔材料。

Claims (9)

1.一种补强三维石墨烯多孔材料结构的方法，其特征在于：利用等离子体技术在湿法制成的三维石墨烯多孔材料表层和孔洞内壁沉积碳材料，补强三维石墨烯骨架结构，使得石墨烯片层之间形成良好的桥接作用，进而构成致密连通的网络结构。
2.权利要求1中所述的一种补强三维石墨烯多孔材料结构的方法，包括以下步骤：
(1)将湿法制备的三维石墨烯多孔材料碳化处理后浸渍在催化剂溶液中，静置2～12h，然后将三维石墨烯多孔材料取出干燥。
(2)将含有催化剂的三维石墨烯多孔材料放在微波等离子体***中，利用等离子体技术，在一定压强和辅助气体氛围中，调节功率活化三维石墨烯多孔材料上附着的催化剂，保持恒定的压强，并在一定功率下，通入碳源气体，在三维石墨烯多孔材料的表层和内壁沉积碳材料，获得补强处理的三维致密连通石墨烯多孔材料。
3.根据权利要求2所述的一种补强三维石墨烯多孔材料结构的方法，其特征在于：步骤(1)中碳化温度为200～1000℃，碳化氛围为氮气、氩气、氦气等惰性气体。
4.根据权利要求2所述的一种补强三维石墨烯多孔材料结构的方法，其特征在于：步骤(1)中催化剂包括硝酸铁、硝酸镍、硝酸钴等具有催化性的金属盐类。
5.根据权利要求2所述的一种补强三维石墨烯多孔材料结构的方法，其特征在于：步骤(2)中干燥过程为：温度30～200℃，时间为1～12h。
6.根据权利要求2所述的一种补强三维石墨烯多孔材料结构的方法，其特征在于：步骤(2)中微波等离子体沉积***中：活化催化剂的功率为50～400W，产生等离子体源的压强为100～1000Pa、功率为50～800W，碳材料的沉积时间为1～30min。
7.根据权利要求2所述的一种补强三维石墨烯多孔材料结构的方法，其特征在于：步骤(2)中辅助气体包括氢气、氩气、氮气、氦气等气体中的一种或几种，气体通量为9～150sccm，通入时间为5～60min。
8.根据权利要求2所述的一种补强三维石墨烯多孔材料结构的方法，其特征在于：步骤(2)中碳源为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、乙炔、丙炔、丁炔、乙烯、丙烯、丁烯等气体中的一种或几种，气体通量为3～100sccm，通入时间为1～40min。
9.根据权利要求2所述的一种补强三维石墨烯多孔材料结构的方法，其特征在于：步骤(2)中碳源和辅助气体的通量比为1∶2～1∶30。
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