一种石墨烯包覆金属纳米线的制备方法与流程

本发明涉及一种金属纳米线的制备方法，具体涉及一种石墨烯包覆金属纳米线的制备方法。

背景技术

近年来，纳米线这种独特的一维纳米材料越来越受到广大研究者的密切关注。2006年王中林教授以zno纳米线独特的压电性能提出了纳米发电机的概念(wangzl,songj.science,2006,312(5771):242)，08年有研究表明si纳米线做锂离子电池的阳极能够极大地提高电池充放电的转化效率，并且在若干次充放电循环后仍能保持稳定(chanck,pengh,liug,etal.naturenanotech,2008,3(1):187-191.)，也有研究表明以lab6纳米线作为场发射电子源，具有非常低的场开启电压和非常稳定的场发射电流，用这种纳米线作为扫描电镜的场发射电子源，能够更加易于获取低噪音、高分辨的扫描照片。由此可见，纳米线由于其独特的性能具备非常广阔的潜在应用前景，因此值得我们深入去研究。

金属纳米线同时具备金属材料较好的延展性以及纳米材料较高的强度而受到广泛关注。以钨为例，金属钨具有非常优异的物理化学性能：高熔点、高强度、良好的热稳定性、抗氧化、抗酸碱腐蚀性，这些独特的性能使得钨在航空航天、机械工业、核能、军工等领域得到了广泛的应用。一维钨纳米材料除了兼具块体钨优异的性能外，还具有一维纳米材料独有的性能。因此，具有超高强度的钨纳米线这种一维纳米材料作为复合材料的增强相，具备非常广阔的应用前景。

近年来，各国学者相继采用不同的方法制备出了直径、长度不一的钨纳米线。文献“leeyh,choich,jangyt,etal.appl.phys.lett,2002,81(4):745-747”以镀有一层约300nm的钨膜的硅片为基底，放入h2+ar的混合气里迅速加热至850℃保温一段时间后再迅速冷却至室温；合成出长度约在1μm直径100nm左右的钨纳米线。文献“yeongks,lawjbk,thongjtl.appl.phys.lett,2006,88(19):4823-95.”以羟基钨为原料，通过喷嘴将其注入到两个电极之间，给两个电极加电，通过场发射电子来诱导钨纳米线的沉积合成。文献“karpovichnf,lebukhovanv,zavodinskyvg,etal.j.phys.chem.c,2008,112(47):18455-18458.”通过co还原niwo4辅以ni做催化剂成功合成出了直径约为200～300nm,长度约为10～50μm,截面六方铅笔状的钨纳米线。文献“guangyuliu,minsong,xinliliu,etal.philos.mag,2013,93(6):584-597.”以sio2为基底通过cvd法辅以ni作催化剂在950℃下合成出了直径150nm长度15μm左右的钨纳米线。但大多数合成的钨纳米线杨氏模量均低于块体值(410gpa)；文献“cimallav,cc,pezoldtj,etal.j.nanomater,2008(1):145-152.”通过afm弯曲试验发现直径100nm左右的钨纳米线杨氏模量平均值为332gpa；文献“houlz,wangsl,chengl,etal.t.nonferr.metal.soc,2013,23(8):2323-2328.”通过纳米压入测得直径为200nm的钨纳米线杨氏模量平均值为225gpa，文献“pugachevskiima.tech.phys.lett,2010,36(7):639-641.”通过afm测得直径在1μm左右的钨纳米线的杨氏模量约为100gpa。

为了显著提高金属纳米线的力学和功能特性，可以通过石墨烯包覆金属纳米线的方式来提高金属纳米线的力学性能，然后现有技术中，没有公开石墨烯包覆金属纳米线的制备方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种石墨烯包覆金属纳米线的制备方法，该方法能够制备出石墨烯包覆的金属纳米线。

为达到上述目的，本发明所述的石墨烯包覆金属纳米线的制备方法包括以下步骤：

1)在硅基底上预制划痕，再对硅基底进行清洗及烘干；

2)将镍盐置于无水乙醇中，超声分散后滴于硅基底上；

3)将硅基底放置于600℃-1200℃温度中，并在氢气的气氛中进行保温，然后在氢气的气氛中随炉冷却至室温，从而将硅基底上均匀分散的镍盐还原成ni的纳米颗粒；

4)将金属氧化物粉末均匀放入al2o3瓷方舟内，再将经步骤3)处理的硅基底盖在al2o3瓷方舟上，然后将al2o3瓷方舟放置于水平管式炉中；

5)向洗气瓶内装蒸馏水，再将洗气瓶固定于加热台上，h2及ar经洗气瓶洗气后通入到水平管式炉中，以排除水平管式炉内的空气；

6)将ar的流速调整至100sccm以上，将h2的流速调整至30sccm以下，将洗气瓶内水的温度调整至80℃-120℃，将水平管式炉内的温度调整至800℃-1200℃，保温后冷却至室温，即可在硅基底上获取线径均匀的石墨烯包覆的金属纳米线。

步骤1)的具体操作为：用金刚石划刀在硅基底上预制划痕，再将硅基底置于无水乙醇中进行超声清洗，然后烘干。

步骤3)将硅基底放置于600℃-1200℃中，并在氢气的气氛中进行保温的具体操作为：将硅基底置于水平管式炉中，再以升温速率大于等于10℃/min的速度升温至600℃-1200℃，并在氢气的气氛中进行保温。

金属氧化物粉末的纯度大于99.99％。

步骤5)中h2的流速大于等于50sccm，ar的流速大于等于200sccm，h2及ar的通入时间大于等于10min。

步骤6)中的保温时间大于等于4h。

h2及ar纯度均大于99.99％。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的石墨烯包覆金属纳米线的制备方法在具体操作时，先在硅基底上均匀分散镍盐，然后将镍盐还原为ni的纳米颗粒，再将金属氧化物粉末均匀放入al2o3瓷方舟中，然后将硅基底盖在al2o3瓷方舟上，最后将al2o3瓷方舟放置于ar及h2的环境下升温后保温，再随炉冷却至室温，即可在硅基底上获取线径均匀的石墨烯包覆的金属纳米线，操作简单、方便，通过石墨烯包覆金属纳米线，可以有效的提高金属纳米线的断裂强度及杨氏模量，使金属纳米线的力学性能得到大幅的提升，并能够在微电子器件及金属复合材料等领域得到广泛的应用。

附图说明

图1a为实施例一石墨烯包覆钨纳米线的扫描电镜基本形貌图；

图1b为实施例一中铜网上钨纳米线的透射电镜的明场像图；

图2为实施例一中拉曼测试的测试结果图；

图3为实施例一中得到的应力应变曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的石墨烯包覆金属纳米线的制备方法包括以下步骤：

1)在硅基底上预制划痕，再对硅基底进行清洗及烘干；

2)将镍盐置于无水乙醇中，超声分散后滴于硅基底上，其中，镍盐与无水乙醇按质量比不超过2:1；

3)将硅基底放置于600℃-1200℃温度中，并在氢气的气氛中进行保温，然后在氢气的气氛中随炉冷却至室温，从而将硅基底上均匀分散的镍盐还原成ni的纳米颗粒；

4)将金属氧化物粉末均匀放入al2o3瓷方舟内，再将经步骤3)处理的硅基底盖在al2o3瓷方舟上，然后将al2o3瓷方舟放置于水平管式炉中，其中，金属氧化物粉末均匀的填满瓷方舟，且金属氧化物粉末不超过10g。

5)向洗气瓶内装蒸馏水，再将洗气瓶固定于加热台上，h2及ar经洗气瓶洗气后通入到水平管式炉中，以排除水平管式炉内的空气；

6)将ar的流速调整至100sccm以上，将h2的流速调整至30sccm以下，将洗气瓶内水的温度调整至80℃-120℃，将水平管式炉内的温度调整至800℃-1200℃，保温后冷却至室温，即可在硅基底上获取线径均匀的石墨烯包覆的金属纳米线。

步骤1)的具体操作为：用金刚石划刀在硅基底上预制划痕，再将硅基底置于无水乙醇中进行超声清洗，然后烘干。

步骤3)将硅基底放置于600℃-1200℃中，并在氢气的气氛中进行保温的具体操作为：将硅基底置于水平管式炉中，再以升温速率大于等于10℃/min的速度升温至600℃-1200℃，并在氢气的气氛中进行保温。

金属氧化物粉末的纯度大于99.99％。

步骤5)中h2的流速大于等于50sccm，ar的流速大于等于200sccm，h2及ar的通入时间大于等于10min。

步骤6)中的保温时间大于等于4h。

h2及ar纯度均大于99.99％。

实施例一

所述金属氧化物粉末为wo3粉末，采用本发明制备石墨烯包覆的钨纳米线，图1a为本实施例得到的石墨烯包覆钨纳米线的扫描电镜基本形貌图，由图1a可以看到，硅基底上分布有多根线径均匀的钨纳米线，长度在0～50μm之间。图1b为铜网上钨纳米线的透射电镜的明场像，图1b中的插图为对应的衍射斑，由图1b可知，合成的石墨烯包覆的钨纳米线的直径均匀，沿长度方向没有明显的锥度，从其衍射斑可以看到石墨烯包覆的钨纳米线生长方向为[111]。

通过聚焦离子束中的机械手将硅基底上沉积的纳米线提取至ptp上，对ptp上的纳米线用532nm激光源进行拉曼测试，图2为拉曼测试的测试结果。从图2上可以清楚的看到石墨烯的特征g峰，从而证实本发明合成的钨纳米线被多层石墨烯包裹。

在透射电镜中对直径为35nm的包覆有石墨烯的钨纳米线进行原位拉伸测试，得图3所示的应力应变曲线，从应力应变曲线可以看到，包覆有石墨烯的钨纳米线的断裂强度高达29.5gpa，杨氏模量高达964gpa，这表明石墨烯包覆的金属纳米线具有极高的强度及模量，增强效果显著。