石墨烯‑纳米贵金属复合管的制备方法与流程

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种石墨烯-纳米金复合管的制备方法。

背景技术：

石墨烯是一种碳的二维同素异形体，自从2004年英国曼彻斯特大学的研究小组首次利用微机械剥离法成功获得了单层石墨烯之后，石墨烯获得了各国研究人员的广泛关注。虽然碳的其他同素异形体如碳纳米管、富勒烯等都和石墨烯相似均由sp2杂化碳原子组成，然而在迁移率、室温霍尔效应、狄拉克电子结构、透光性、机械强度和热导率等性质方面，这些同素异形体均不能和石墨烯媲美。正是因为这些诱人的特质，石墨烯在如微电子、透明电极、有机光电器件、储能电池、多功能复合材料以及生物医学等诸多领域具有广阔的应用前景。[具体可见文献：l.guoetal.jphysc,2012,116(5):3594.x.wangetal.nanolett,2008,8:323.k.k.mangaetal.advmater,2012,24:1697.y.zhuetal.carbon,2010,48:2118.y.wangetal.jphyschemc,2011,115:23192.ywangetal.jamchemsoc,2010,132:9274.]

公开号cn102586869a公开了一种三维石墨烯管的制备方法，所述石墨烯管骨架材料是聚偏氟乙烯、聚乙二醇、聚甲基丙烯酸等有机材料，上述材料在增强了石墨烯管机械强度的同时，无疑也降低了石墨烯的导电性等重要参数。此外，有文献报道采用贵金属与纳米碳材料复合的方法可有效提升其导电性能。然而，目前尚未有以金属丝作为生长基底，在金属丝表面沉积制得石墨烯/金属丝复合结构，进而在石墨烯表面包覆贵金属纳米粒子，最终通过去除基底(金属丝)制备石墨烯-纳米贵金属复合管的相关报道。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种石墨烯-纳米贵金属复合管的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、取金属丝用稀硝酸浸泡去除表面杂质及钝化层后，置于无水乙醇中超声，然后烘干备用；

步骤二、将烘干的金属丝作为生长基底，放入化学气相沉积设备中在其表面生长石墨烯，得到石墨烯/金属丝复合结构；

步骤三、在石墨烯/金属丝复合结构的石墨烯表面沉积纳米贵金属粒子包覆层，形成贵金属包覆层/石墨烯/金属丝复合结构；

步骤四、将贵金属包覆层/石墨烯/金属丝复合结构放入刻蚀液中去除金属丝后，用无水乙醇和去离子水对所得产物清洗后烘干，获得石墨烯-纳米贵金属复合管。

优选的是，所述金属丝为铜丝或镍丝，所述金属丝的直径为10nm～1cm，长度为10nm～1m。

优选的是，所述稀硝酸浓度为0.001～1mol/l，金属丝在稀硝酸中浸泡时间为1s～60min，在无水乙醇中超声时长为1～60min；所述烘干采用在鼓风干燥箱中，干燥处理温度为40～200℃，处理时间为0.1～36h。

优选的是，所述步骤三中，在石墨烯/金属丝复合结构的石墨烯表面沉积纳米贵金属粒子包覆层的沉积方法为磁控溅射、热蒸镀、脉冲激光沉积、化学镀或电化学沉积方法中的任意一种；沉积纳米贵金属粒子包覆层的沉积速率为0.1nm/s～10μm/s，所述贵金属为金、铂、钯、钛、钌、铌中的任意一种或多种组合成的合金材料。

优选的是，所述石墨烯-纳米贵金属复合管的直径为10nm～1cm，长度为10nm～1m。

优选的是，所述步骤二中，在化学气相沉积设备中，金属丝表面生长石墨烯过程的反应气氛为氢气和惰性气体的混合气，在升温速度为5～30℃/min的前提下，加热至反应温度800～1500℃，恒温0～120min，导入碳源进行反应后，冷却至室温，获得石墨烯/金属丝复合结构；所述碳源为甲醇蒸汽、乙醇蒸汽、丙酮蒸汽、二甲苯蒸汽中的一种或多种的混合；所述碳源的流量为10～30sccm。

优选的是，所述步骤四中，刻蚀液为高锰酸钾溶液和/或氯化铁溶液。

优选的是，所述步骤二的过程替换为：将烘干的金属丝作为静电纺丝的旋转接收装置，将混合有氧化石墨烯的聚合物纺丝原液静电纺丝到旋转的金属丝上，同时将石墨烯分散液超声雾化于旋转的金属丝上，形成静电纺丝薄膜和石墨烯包覆的金属丝；所述步骤四中，在贵金属包覆层/石墨烯/金属丝复合结构放入刻蚀液中去除金属丝后，将其加入n,n-二甲基甲酰胺或甲苯中浸泡12h，然后用无水乙醇和去离子水对所得产物清洗后烘干，获得石墨烯-纳米贵金属复合管。

优选的是，所述聚合物纺丝原液为聚乳酸溶液、聚丙烯酸甲酯溶液、聚酰亚胺溶液中的一种；所述聚合物纺丝原液的浓度为5～10wt％；所述氧化石墨烯与聚合物纺丝原液的质量比为1：50～100；所述氧化石墨烯与聚合物纺丝原液的混合过程为：将氧化石墨烯与聚合物纺丝原液混合，然后加入分散剂1-乙基-3-甲基氯化咪唑，在搅拌速度为500r/min条件下，将混合溶液加热到50℃，保持其反应24h，冷却至室温，得到混合有氧化石墨烯的聚合物纺丝原液；所述分散剂1-乙基-3-甲基氯化咪唑与氧化石墨烯的重量比为1:5～10；

所述石墨烯分散液包括以下重量份的原料：石墨烯10～15份、1-乙基-3-甲基咪唑乳酸1～3份、环己酮30～50份、n-环己基吡咯烷酮30～50份、丙二醇丁醚醋酸酯30～50份。

优选的是，所述静电纺丝方法为：将混合有氧化石墨烯的聚合物纺丝原液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的聚合物纺丝原液通过不锈钢喷头喷射至旋转的金属丝接收装置上，所述静电纺丝的喷射条件为：环境温度为40～80℃、高压电源的输出电压为15～25kv、金属丝与不锈钢喷头之间距离为10～15cm、流速为5～12ml/h、金属丝接收装置的旋转速度为50～500r/min；

所述石墨烯分散液超声雾化的功率为80w，频率为2.5mhz，雾化率为2～10ml/min，超声雾化的喷出口与金属丝的距离为5～15cm。。

本发明至少包括以下有益效果：本发明的制备方法具有操作简单易行，可重复性强，对环境无污染的特点。本发明提供的石墨烯-纳米贵金属复合管具有优异的迁移率、机械强度、热导率和耐腐蚀性，适用于微电子、透明电极、有机光电器件、储能电池、多功能复合材料以及生物医学等诸多领域。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明实施例1中制备的贵金属包覆层/石墨烯/铜丝复合结构的扫描电镜照片(a)和对应位置的eds成分面扫结果，分别是碳(b)、铜(c)和金(d)；

图2为本发明实施例1中制备的贵金属包覆层/石墨烯/铜丝复合结构的eds面总谱图；

图3为本发明实施例1中制备的石墨烯-纳米贵金属复合管的光学显微镜截面图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。、

实施例1：

一种石墨烯-纳米贵金属复合管的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、取直径15μm、长度5cm的铜丝用0.1mol/l的稀硝酸浸泡2min去除表面杂质及钝化层后，置于无水乙醇中超声20min，然后放置于鼓风干燥箱内60℃烘干2h烘干备用；

步骤二、将烘干的铜丝作为生长基底，放入化学气相沉积设备中，反应气氛为氢气和氮气的混合气，在30℃/min的升温速度下，加热至1000℃，恒温60min，通入乙醇蒸汽10sccm进行反应，反应结束后停止通入乙醇蒸汽，快速冷却至室温，获得石墨烯/铜丝复合结构；

步骤三、通过磁控溅射法，在沉积速度为20nm/s的条件下，在制得的石墨烯/铜丝复合结构表面沉积纳米金包覆层，形成纳米金包覆层/石墨烯/铜丝复合结构；图1示出了纳米金包覆层/石墨烯/铜丝复合结构的扫描电镜图(a)和对应位置的eds成分面扫结果，分别是碳(b)、铜(c)和金(d)；图2示出了纳米金包覆层/石墨烯/铜丝复合结构的eds面总谱图；

步骤四、将纳米金包覆层/石墨烯/铜丝复合结构放入氯化铁刻蚀液中去除铜丝后，用无水乙醇和去离子水对所得产物清洗后放置于鼓风干燥箱内60℃烘干2h，获得石墨烯-纳米金复合管；图3示出了本发明去除生长基底铜丝后石墨烯-纳米金属复合管的光学显微镜截面图。

实施例2：

一种石墨烯-纳米贵金属复合管的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、取直径15μm、长度5cm的镍丝用0.1mol/l的稀硝酸浸泡2min去除表面杂质及钝化层后，置于无水乙醇中超声20min，然后放置于鼓风干燥箱内60℃烘干2h烘干备用；

步骤二、将烘干的镍丝作为生长基底，放入化学气相沉积设备中，反应气氛为氢气和氮气的混合气，在30℃/min的升温速度下，加热至1000℃，恒温60min，通入乙醇蒸汽10sccm进行反应，反应结束后停止通入乙醇蒸汽，快速冷却至室温，获得石墨烯/镍丝复合结构；

步骤三、通过磁控溅射法，在沉积速度为20nm/s的条件下，在制得的石墨烯/镍丝复合结构表面沉积纳米金包覆层，形成纳米金包覆层/石墨烯/镍丝复合结构；

步骤四、将纳米金包覆层/石墨烯/镍丝复合结构放入氯化铁刻蚀液中去除铜丝后，用无水乙醇和去离子水对所得产物清洗后放置于鼓风干燥箱内60℃烘干2h，获得石墨烯-纳米金复合管。

实施例3：

一种石墨烯-纳米贵金属复合管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、取直径15μm、长度5cm的铜丝用0.1mol/l的稀硝酸浸泡2min去除表面杂质及钝化层后，置于无水乙醇中超声20min，然后放置于鼓风干燥箱内60℃烘干2h烘干备用；

步骤二、将烘干的铜丝作为生长基底，放入化学气相沉积设备中，反应气氛为氢气和氮气的混合气，在20℃/min的升温速度下，加热至1050℃，恒温30min，通入乙醇蒸汽20sccm进行反应，反应结束后停止通入乙醇蒸汽，快速冷却至室温，获得石墨烯/铜丝复合结构；

步骤三、通过磁控溅射法，在沉积速度为20nm/s的条件下，在制得的石墨烯/铜丝复合结构表面沉积纳米金包覆层，形成纳米金包覆层/石墨烯/铜丝复合结构；

步骤四、将纳米金包覆层/石墨烯/铜丝复合结构放入氯化铁刻蚀液中去除铜丝后，用无水乙醇和去离子水对所得产物清洗后放置于鼓风干燥箱内60℃烘干2h，获得石墨烯-纳米金复合管。

实施例4：

一种石墨烯-纳米贵金属复合管的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、取直径15μm、长度5cm的铜丝用0.1mol/l的稀硝酸浸泡2min去除表面杂质及钝化层后，置于无水乙醇中超声20min，然后放置于鼓风干燥箱内60℃烘干2h烘干备用；

步骤二、将烘干的铜丝作为生长基底，放入化学气相沉积设备中，反应气氛为氢气和氮气的混合气，在30℃/min的升温速度下，加热至1000℃，恒温60min，通入乙醇蒸汽10sccm进行反应，反应结束后停止通入乙醇蒸汽，快速冷却至室温，获得石墨烯/铜丝复合结构；

步骤三、通过化学镀方法，在制得的石墨烯/铜丝复合结构表面沉积纳米金包覆层，形成纳米金包覆层/石墨烯/铜丝复合结构；

步骤四、将纳米金包覆层/石墨烯/铜丝复合结构放入氯化铁刻蚀液中去除铜丝后，用无水乙醇和去离子水对所得产物清洗后放置于鼓风干燥箱内60℃烘干2h，获得石墨烯-纳米金复合管。

实施例5：

一种石墨烯-纳米贵金属复合管的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、取直径30μm、长度10cm的镍丝用0.5mol/l的稀硝酸浸泡20min去除表面杂质及钝化层后，置于无水乙醇中超声30min，然后放置于鼓风干燥箱内100℃烘干1h烘干备用；

步骤二、将烘干的镍丝作为生长基底，放入化学气相沉积设备中，反应气氛为氢气和氮气的混合气，在15℃/min的升温速度下，加热至1200℃，恒温30min，通入丙酮蒸汽30sccm进行反应，反应结束后停止通入丙酮蒸汽，快速冷却至室温，获得石墨烯/镍丝复合结构；

步骤三、通过脉冲激光沉积方法，在制得的石墨烯/镍丝复合结构表面沉积纳米金包覆层，形成纳米金包覆层/石墨烯/镍丝复合结构；

步骤四、将纳米金包覆层/石墨烯/镍丝复合结构放入高锰酸钾刻蚀液中去除镍丝后，用无水乙醇和去离子水对所得产物清洗后放置于鼓风干燥箱内60℃烘干2h，获得石墨烯-纳米金复合管。

实施例6：

一种石墨烯-纳米贵金属复合管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、取直径50μm、长度10cm的铜丝用0.5mol/l的稀硝酸浸泡10min去除表面杂质及钝化层后，置于无水乙醇中超声30min，然后放置于鼓风干燥箱内80℃烘干2h烘干备用；

步骤二、将烘干的铜丝作为生长基底，放入化学气相沉积设备中，反应气氛为氢气和氮气的混合气，在10℃/min的升温速度下，加热至1500℃，恒温100min，通入二甲苯蒸汽20sccm进行反应，反应结束后停止通入二甲苯蒸汽，快速冷却至室温，获得石墨烯/铜丝复合结构；

步骤三、通过电化学沉积方法，在制得的石墨烯/铜丝复合结构表面沉积纳米钯包覆层，形成纳米钯包覆层/石墨烯/铜丝复合结构；

步骤四、将纳米钯包覆层/石墨烯/铜丝复合结构放入氯化铁刻蚀液中去除铜丝后，用无水乙醇和去离子水对所得产物清洗后放置于鼓风干燥箱内60℃烘干2h，获得石墨烯-纳米钯复合管。

实施例7：

一种石墨烯-纳米贵金属复合管的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、取直径50μm、长度10cm的铜丝用0.5mol/l的稀硝酸浸泡10min去除表面杂质及钝化层后，置于无水乙醇中超声30min，然后放置于鼓风干燥箱内80℃烘干2h烘干备用；

步骤二、将烘干的铜丝作为静电纺丝的旋转接收装置，将混合有氧化石墨烯的聚合物纺丝原液静电纺丝到旋转的铜丝上，同时将石墨烯分散液超声雾化于旋转的铜丝上，形成静电纺丝薄膜和石墨烯包覆的铜丝；

步骤三、通过电化学沉积方法，在制得的静电纺丝薄膜和石墨烯包覆的铜丝复合结构表面沉积纳米铂包覆层；

步骤四、将步骤三得到的复合结构放入氯化铁刻蚀液中去除铜丝后，将其加入n,n-二甲基甲酰胺或甲苯中浸泡12h，然后用无水乙醇和去离子水对所得产物清洗后放置于鼓风干燥箱内60℃烘干2h，获得石墨烯-纳米铂复合管；

其中，所述聚合物纺丝原液为聚乳酸溶液；所述聚合物纺丝原液的浓度为5wt％；所述氧化石墨烯与聚合物纺丝原液的质量比为1：50；所述氧化石墨烯与聚合物纺丝原液的混合过程为：将氧化石墨烯与聚合物纺丝原液混合，然后加入分散剂1-乙基-3-甲基氯化咪唑，在搅拌速度为500r/min条件下，将混合溶液加热到50℃，保持其反应24h，冷却至室温，得到混合有氧化石墨烯的聚合物纺丝原液；所述分散剂1-乙基-3-甲基氯化咪唑与氧化石墨烯的重量比为1:5；所述石墨烯分散液包括以下重量份的原料：石墨烯10份、1-乙基-3-甲基咪唑乳酸1份、环己酮30份、n-环己基吡咯烷酮30份、丙二醇丁醚醋酸酯30份；

所述静电纺丝方法为：将混合有氧化石墨烯的聚合物纺丝原液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的聚合物纺丝原液通过不锈钢喷头喷射至旋转的金属丝接收装置上，所述静电纺丝的喷射条件为：环境温度为40℃、高压电源的输出电压为15kv、金属丝与不锈钢喷头之间距离为10cm、流速为5ml/h、金属丝接收装置的旋转速度为50r/min；

所述石墨烯分散液超声雾化的功率为80w，频率为2.5mhz，雾化率为2ml/min，超声雾化的喷出口与金属丝的距离为5cm。

实施例8：

一种石墨烯-纳米贵金属复合管的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、取直径1cm、长度30cm的铜丝用0.5mol/l的稀硝酸浸泡10min去除表面杂质及钝化层后，置于无水乙醇中超声30min，然后放置于鼓风干燥箱内80℃烘干2h烘干备用；

步骤二、将烘干的铜丝作为静电纺丝的旋转接收装置，将混合有氧化石墨烯的聚合物纺丝原液静电纺丝到旋转的铜丝上，同时将石墨烯分散液超声雾化于旋转的铜丝上，形成静电纺丝薄膜和石墨烯包覆的铜丝；

步骤三、通过磁控溅射方法，在制得的静电纺丝薄膜和石墨烯包覆的铜丝复合结构表面沉积纳米钛包覆层；

步骤四、将步骤三得到的复合结构放入氯化铁刻蚀液中去除铜丝后，将其加入n,n-二甲基甲酰胺或甲苯中浸泡12h，然后用无水乙醇和去离子水对所得产物清洗后放置于鼓风干燥箱内60℃烘干2h，获得石墨烯-纳米钛复合管；

其中，所述聚合物纺丝原液为聚丙烯酸甲酯溶液；所述聚合物纺丝原液的浓度为10wt％；所述氧化石墨烯与聚合物纺丝原液的质量比为1：100；所述氧化石墨烯与聚合物纺丝原液的混合过程为：将氧化石墨烯与聚合物纺丝原液混合，然后加入分散剂1-乙基-3-甲基氯化咪唑，在搅拌速度为500r/min条件下，将混合溶液加热到50℃，保持其反应24h，冷却至室温，得到混合有氧化石墨烯的聚合物纺丝原液；所述分散剂1-乙基-3-甲基氯化咪唑与氧化石墨烯的重量比为1:10；所述石墨烯分散液包括以下重量份的原料：石墨烯15份、1-乙基-3-甲基咪唑乳酸3份、环己酮50份、n-环己基吡咯烷酮50份、丙二醇丁醚醋酸酯50份；

所述静电纺丝方法为：将混合有氧化石墨烯的聚合物纺丝原液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的聚合物纺丝原液通过不锈钢喷头喷射至旋转的金属丝接收装置上，所述静电纺丝的喷射条件为：环境温度为80℃、高压电源的输出电压为25kv、金属丝与不锈钢喷头之间距离为15cm、流速为12ml/h、金属丝接收装置的旋转速度为500r/min；

所述石墨烯分散液超声雾化的功率为80w，频率为2.5mhz，雾化率为10ml/min，超声雾化的喷出口与金属丝的距离为15cm。

实施例9：

一种石墨烯-纳米贵金属复合管的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、取直径0.5cm、长度20cm的镍丝用1mol/l的稀硝酸浸泡10min去除表面杂质及钝化层后，置于无水乙醇中超声60min，然后放置于鼓风干燥箱内80℃烘干2h烘干备用；

步骤二、将烘干的镍丝作为静电纺丝的旋转接收装置，将混合有氧化石墨烯的聚合物纺丝原液静电纺丝到旋转的镍丝上，同时将石墨烯分散液超声雾化于旋转的镍丝上，形成静电纺丝薄膜和石墨烯包覆的镍丝；

步骤三、通过磁控溅射方法，在制得的静电纺丝薄膜和石墨烯包覆的镍丝复合结构表面沉积纳米金包覆层；

步骤四、将步骤三得到的复合结构放入氯化铁刻蚀液中去除镍丝后，将其加入n,n-二甲基甲酰胺或甲苯中浸泡12h，然后用无水乙醇和去离子水对所得产物清洗后放置于鼓风干燥箱内60℃烘干2h，获得石墨烯-纳米金复合管；

其中，所述聚合物纺丝原液为聚酰亚胺溶液；所述聚合物纺丝原液的浓度为10wt％；所述氧化石墨烯与聚合物纺丝原液的质量比为1：60；所述氧化石墨烯与聚合物纺丝原液的混合过程为：将氧化石墨烯与聚合物纺丝原液混合，然后加入分散剂1-乙基-3-甲基氯化咪唑，在搅拌速度为500r/min条件下，将混合溶液加热到50℃，保持其反应24h，冷却至室温，得到混合有氧化石墨烯的聚合物纺丝原液；所述分散剂1-乙基-3-甲基氯化咪唑与氧化石墨烯的重量比为1:8；所述石墨烯分散液包括以下重量份的原料：石墨烯12份、1-乙基-3-甲基咪唑乳酸2份、环己酮40份、n-环己基吡咯烷酮40份、丙二醇丁醚醋酸酯40份；

所述静电纺丝方法为：将混合有氧化石墨烯的聚合物纺丝原液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的聚合物纺丝原液通过不锈钢喷头喷射至旋转的金属丝接收装置上，所述静电纺丝的喷射条件为：环境温度为60℃、高压电源的输出电压为20kv、金属丝与不锈钢喷头之间距离为12cm、流速为8ml/h、金属丝接收装置的旋转速度为150r/min；

所述石墨烯分散液超声雾化的功率为80w，频率为2.5mhz，雾化率为5ml/min，超声雾化的喷出口与金属丝的距离为10cm。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。