一种简易制备直立石墨烯纳米片阵列的方法与流程

本发明涉及垂直石墨烯纳米片的制作方法，特别涉及一种直立石墨烯纳米片（verticalgraphenenanosheets）阵列的大规模制备方法。

背景技术：

垂直石墨烯纳米片（verticalgraphenenanosheets）,也称为碳纳米墙，是一种具有开放边缘的二维纳米结构。这种独特的碳纳米结构使得其在化学、生物传感、能源存储等方面得到广泛应用。

目前，垂直石墨烯纳米片的制作方法主要有等离子体增强化学气相沉积（plasmaenhancedchemicalvapordeposition,pecvd），热丝化学气相沉积（hotfilamentchemicalvapordeposition,hfcvd），以及最新的热化学气相沉积（thermalchemicalvapordeposition,tcvd）。但是，这些方法操作复杂，设备昂贵，不易于实现直立石墨烯的工业化生产。

因此，现有技术存在的问题，有待于进一步改进和发展。

技术实现要素：

（一）发明目的：为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于管式炉中固相前驱物的热化学过程生长直立石墨烯纳米片的方法。

（二）技术方案：为了解决上述技术问题，本技术方案提供一种简易制备直立石墨烯纳米片阵列的方法，包括以下步骤，

步骤一：将合适的含碳固相前驱物的溶液、粉体、胶状物等涂覆于具有催化作用的衬底上并干燥；

步骤二：将含碳前驱物置于管式炉中，在惰性气体的保护下，升高炉内温度，实现直立石墨烯纳米片阵列的制备。

优选的，所述步骤一包括以下步骤：

将具有催化作用的衬底进行超声清洗，除去不锈钢衬底表面上的有机无机杂质；

将含碳固相前驱物涂覆在具有催化功能的衬底表面，并经过60˚c干燥后放入管式炉中。

优选的，所述衬底依次在丙酮、乙醇、去离子水清洗溶液中进行超声清洗1-30min；

首先在丙酮溶液中超声清洗30min,然后在乙醇溶液中清洗30min，最后在去离子水溶液中超声清洗15min。

优选的，所述步骤二包括以下步骤：

将涂覆在具有催化功能的衬底表面的含碳固相前驱物置于管式炉中，抽空管式炉中的空气，通入保护气体；

升高炉内温度，使炉内温度达到生长温度700-900˚c，通过将生长温度控制在0-60min，实现直立石墨烯纳米片阵列的可控制备。

优选的，惰性气体的压强为1kpa-1atm，惰性气体可以是氩气、氮气。

优选的，升高炉内温度时，升温速率为5–10˚c/min。

优选的，所述含碳固相前驱物为cxhyoz，cxhyoz在高温下会彻底分解成c和h2o，反应如下：

cxhyoz→xc+h2o。

优选的，所述衬底为含有fe、ni、co等多种催化剂的304不锈钢片。

（三）有益效果：

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

第一，设备简单且易于操作及维护，可大规模生产；

第二，制备过程简单、低劳动强度、能耗低，不涉及高温、高压，满足安全、绿色的生产理念；

第三，生长的直立石墨烯纳米片可以为单层也可以为少数层（≤10层）。

附图说明

图1为利用本发明技术制备的直立石墨烯纳米片的拉曼图；

图2为利用本发明技术制备的直立石墨烯纳米片阵列的形貌图。

具体实施方式

下面结合优选的实施例对本发明做进一步详细说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是，本发明显然能够以多种不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

示意图是本发明的实施例的示意图，需要注意的是，此附图仅作为示例，并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明的实际要求保护范围构成限制。

一种简易制备直立石墨烯纳米片阵列的方法，包括以下步骤，

步骤一：将合适的含碳固相前驱物的溶液、粉体、胶状物等涂覆于具有催化作用的衬底上并干燥；

步骤二：将含碳前驱物置于管式炉中，在保护气体的保护下，升高炉内温度，实现直立石墨烯纳米片阵列的制备。

其中，所述步骤一包括以下步骤：

将具有催化作用的衬底依次在丙酮、乙醇、去离子水清洗溶液中进行超声清洗1-30min，除去不锈钢衬底表面上的有机无机杂质，为接下来直立石墨烯纳米片阵列的生长提供良好的生长基底；

其中，超声清洗包括：首先在丙酮溶液中超声清洗30min,然后在乙醇溶液中清洗30min，最后在去离子水溶液中超声清洗15min。

将含碳固相前驱物涂覆在具有催化功能的衬底表面，并经过60˚c干燥后放入管式炉中。

其中，所述步骤二包括以下步骤：

将涂覆在具有催化功能的衬底表面的含碳固相前驱物置于管式炉中，然后抽空管式炉中的空气，通入保护气体，保护气体为惰性气体，可以是氩气，氮气，也可以其他惰性气体，保护气体的压强为1kpa-1atm，所述保护气体用于防止升温及生长过程中外部空气的渗入导致材料的氧化；

升高炉内温度，可以是通过电阻加热，也可以是其他加热方式。炉内温度升高时，升温速率为5–10˚c/min，使炉内温度达到生长温度700-900˚c，通过将生长温度控制在0-60min，实现直立石墨烯纳米片阵列的可控制备。

其中，所述含碳固相前驱物为cxhyoz，cxhyoz在高温下会彻底分解成c和h2o，反应如下：

cxhyoz→xc+h2o

含碳固相前驱物可以为乙醇、葡萄糖等有机物，也可以为含掺杂元素的含碳物质，如聚苯胺，脲素等。

其中，所述衬底为含有fe、ni、co等多种催化剂的304不锈钢片。

其中，管式炉为最普通的管式炉，相比于通用的等离子体、射频化学气相沉积方法而言，管式炉构造简易，价格低廉，极易操作。

其中，附图1为利用本发明技术制备的直立石墨烯纳米片的拉曼图，从图中可以看到在波数1360cm^-1附近以及波数1590cm^-1分别有两个石墨烯的特征峰，波数1360cm^-1峰为石墨烯的d峰，代表石墨烯的内部缺陷以及是直立石墨烯薄膜的衬底缺陷，与传统pecvd方法制备得到直立石墨烯纳米片阵列薄膜相比，它的d峰峰强较强，原因是由于这种方法得到的薄膜在生长初期形成的无定形碳薄膜导致的。

其中，附图2为利用本发明技术制备的直立石墨烯纳米片阵列的形貌图，图2中的（a）（b）（c）(d)分别是不同分辨率下测试得到的扫描图，从低分辨率的扫描图可以看出，生长的直立石墨烯纳米片阵列分布均匀，纳米片尺寸较为均一；从高分辨率的扫描图可以得到，石墨烯纳米片垂直均匀的呈花状生长在基底上，且在图2（d）中，石墨烯纳米片的呈半透明态，说明我们制备得到直立石墨烯纳米片厚度较薄，具有较好的导电性。

一种简易制备直立石墨烯纳米片阵列的方法，设备简单、价格低廉，且易于操作及维护，可大规模生产；制备过程简单、低劳动强度、能耗低，不涉及高温、高压，满足安全、绿色的生产理念；生长的直立石墨烯纳米片可以为单层也可以为少数层（≤10层）。

以上内容是对本发明创造的优选的实施例的说明，可以帮助本领域技术人员更充分地理解本发明创造的技术方案。但是，这些实施例仅仅是举例说明，不能认定本发明创造的具体实施方式仅限于这些实施例的说明。对本发明创造所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干简单推演和变换，都应当视为属于本发明创造的保护范围。