本发明涉及三维纳米碳材料制备，具体涉及一种以泡沫铜作催化剂制备垂直石墨烯阵列的方法。
背景技术：
1、在过去的十年里，石墨烯的研究出现了爆炸性的增长。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的具有六角型呈蜂巢晶格的二维材料，其片层形成离域大π键，电子可以在其内部自由移动，因此展现出很多优异的特性，例如高的透明度（97.7%）、电子传导率（106 s cm-1）、机械强度（1.1 tpa）、导热性（5300 w m-1k-1）、结构稳定性和比表面积（2600m2g-1）等。鉴于石墨烯具有这些独特和优异的性能，使得它成为广泛应用的候选材料，包括在催化剂、生物传感器、复合材料、储能器件（锂离子电池、锂硫电池、锌离子电池、太阳能电池等）等诸多领域中展现出了潜在的应用。
2、然而，受范德华力的影响，石墨烯晶畴在相互拼接连续成膜的过程中，易发生堆叠，使得石墨烯的比表面积大大降低，导致其电学性能的下降。因此，将石墨烯三维化是目前的一大研究热点。与水平堆叠的石墨烯相比，垂直取向排列的石墨烯阵列能够有效发挥单个石墨烯片层高热导率和载流子迁移率等优异的性能。其次，石墨烯片层间的孔道有效降低了离子、分子等在垂直方向上的传输阻碍，缩短传输距离，并且还具有相对较大的比表面积和丰富的边缘，增强了其与外界环境的相互作用。
3、随着垂直石墨烯得到各领域研究者的广泛关注，其制备方法也层出不穷，例如有碳化硅高温热解法、利用原有水平堆叠的石墨烯进行“化平为直”法和等离子体化学气相沉积法等。其中等离子体化学气相沉积法（pecvd）一个重要优势是可以明显降低石墨烯的生长温度并生产高质量的垂直石墨烯。pecvd制备垂直石墨烯的主要原理是利用等离子体中的高能电子轰击碳源分子（如ch4、c2h2等），在较低温度下分解处于游离的碳活性粒子，碳活性粒子会在达到一定温度的基底表面性成片状的石墨烯结构。因此，由于引入等离子体作用，不仅避免了利用高温来热解碳源气体，而且极大地提高了碳源气体的分解效率。采用pecvd生长垂直石墨烯虽然具有上述优势，但其生长速率通常较低且生长控制困难，因为生长参数的微小变化可能对石墨烯的质量和结构产生显著影响。另外，采用pecvd生长的垂直石墨烯还存在与基底之间的结合可能较弱的问题。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种以泡沫铜作催化剂制备垂直石墨烯阵列的方法，该方法有利于快速、低温、高效地制备得到高质量的垂直石墨烯阵列。
2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种以泡沫铜作催化剂制备垂直石墨烯阵列的方法，包括以下步骤：
3、s1、将衬底放置在泡沫铜表面上，然后将放置有衬底的泡沫铜置于等离子体增强化学气相沉积（pecvd）系统的反应腔内；
4、s2、对pecvd系统的反应腔进行抽真空，待真空度达到要求后，向pecvd系统内通入氩气气体，营造惰性气体氛围；
5、s3、以设定的升温速率将反应腔的温度升至600~800 ℃，然后通入设定量的碳源，并打开等离子体进行辐照，恒温反应1~2小时；
6、s4、恒温反应结束后，关闭碳源和等离子体，冷却，制备得到垂直石墨烯阵列。
7、进一步地，步骤s1中，在将衬底放置在泡沫铜表面上前，将泡沫铜和衬底依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗30分钟，然后在真空干燥箱中60 ℃烘干2小时。
8、进一步地，步骤s1中，泡沫铜和衬底的尺寸均为4 cm*3 cm，pecvd系统的反应腔为石英管。
9、进一步地，所述衬底采用碳布。
10、进一步地，所述衬底也采用泡沫铜，即同时以泡沫铜为衬底和催化剂，将一定厚度的泡沫铜置于pecvd系统的反应腔内以制备垂直石墨烯阵列。
11、进一步地，步骤s2中，对真空度的要求范围为1~10 pa，通入氩气气体的流量为50~200 sccm；营造的惰性气体氛围的压强为40~200 pa。
12、进一步地，步骤s3中，升温速率为10~30 ℃ min-1，碳源的流量为10~50 sccm，等离子体的功率为80~150 w。
13、进一步地，步骤s3中，碳源为甲烷或乙炔气体；等离子体为微波、射频或直流激发的等离子体。
14、进一步地，步骤s3中，打开碳源和等离子体后，反应腔的真空度为60~300 pa。
15、进一步地，步骤s4中，关闭碳源和等离子体后，冷却到100 ℃以下，制备得到垂直石墨烯阵列。
16、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种以泡沫铜作催化剂制备垂直石墨烯阵列的方法，该方法采用泡沫铜作为催化剂，泡沫铜是一种具有高度多孔结构和大量孔隙的材料，其中孔隙以微观级别分布，这种结构使得泡沫铜具有较大的比表面积，提供了更多的表面活性位点，可以促进石墨烯的成核和生长。将衬底放置在泡沫铜表面，通过等离子体化学气相沉积，在衬底表面进行垂直石墨烯阵列生长，其生长速度快、低温制备、工艺简单、生长的石墨烯阵列质量高、厚度可控。该方法所制备的垂直石墨烯阵列可满足催化剂、生物传感器、复合材料、储能器件（锂离子电池、锂硫电池、锌离子电池、太阳能电池等）等诸多领域的需要，为以上领域的科研及产业化发展提供新的制备方法和研究方向。
1.一种以泡沫铜作催化剂制备垂直石墨烯阵列的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种以泡沫铜作催化剂制备垂直石墨烯阵列的方法，其特征在于，步骤s1中，在将衬底放置在泡沫铜表面上前，将泡沫铜和衬底依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗30分钟，然后在真空干燥箱中60 ℃烘干2小时。
3.根据权利要求1所述的一种以泡沫铜作催化剂制备垂直石墨烯阵列的方法，其特征在于，步骤s1中，泡沫铜和衬底的尺寸均为4 cm*3 cm，pecvd系统的反应腔为石英管。
4.根据权利要求1所述的一种以泡沫铜作催化剂制备垂直石墨烯阵列的方法，其特征在于，所述衬底采用碳布。
5.根据权利要求1所述的一种以泡沫铜作催化剂制备垂直石墨烯阵列的方法，其特征在于，所述衬底也采用泡沫铜，即同时以泡沫铜为衬底和催化剂，将一定厚度的泡沫铜置于pecvd系统的反应腔内以制备垂直石墨烯阵列。
6.根据权利要求1所述的一种以泡沫铜作催化剂制备垂直石墨烯阵列的方法，其特征在于，步骤s2中，对真空度的要求范围为1~10 pa，通入氩气气体的流量为50~200 sccm；营造的惰性气体氛围的压强为40~200 pa。
7.根据权利要求1所述的一种以泡沫铜作催化剂制备垂直石墨烯阵列的方法，其特征在于，步骤s3中，升温速率为10~30 ℃ min-1，碳源的流量为10~50 sccm，等离子体的功率为80~150 w。
8.根据权利要求1所述的一种以泡沫铜作催化剂制备垂直石墨烯阵列的方法，其特征在于，步骤s3中，碳源为甲烷或乙炔气体；等离子体为微波、射频或直流激发的等离子体。
9.根据权利要求1所述的一种以泡沫铜作催化剂制备垂直石墨烯阵列的方法，其特征在于，步骤s3中，打开碳源和等离子体后，反应腔的真空度为60~300 pa。
10.根据权利要求1所述的一种以泡沫铜作催化剂制备垂直石墨烯阵列的方法，其特征在于，步骤s4中，关闭碳源和等离子体后，冷却到100 ℃以下，制备得到垂直石墨烯阵列。