金属表面具有多相复合碳源的石墨烯制备方法及装置
阅读说明：本技术 金属表面具有多相复合碳源的石墨烯制备方法及装置 (Method and device for preparing graphene with multiphase composite carbon source on metal surface ) 是由 刘悦 姚松松 杨昆明 范同祥 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种金属表面具有多相复合碳源的石墨烯制备方法及装置,所述制备方法包括如下步骤：提供固态有机碳源、液态有机碳源及气态有机碳源中的至少一种,形成碳源混合物；加热,使所述碳源混合物裂解为气态活性含碳基团；将所述气态活性含碳基团通入反应腔内,所述反应腔内放置有金属基底,在生长温度及生长压力下,所述气态活性含碳基团沉积在所述金属基底上,形成石墨烯层,以形成石墨烯金属复合结构。本发明制备方法先使碳源高温裂解,从而不需要金属基底对所述碳源进行催化,扩大了所述金属基底材料的可选范围,使得所述金属基底可为对碳源具有催化作用的材料也可为对碳源不具备催化作用的材料。(The invention provides a method and a device for preparing graphene with a multiphase composite carbon source on a metal surface, wherein the preparation method comprises the following steps: providing at least one of a solid organic carbon source, a liquid organic carbon source and a gaseous organic carbon source to form a carbon source mixture; heating to crack the carbon source mixture into gaseous active carbon-containing radicals; and introducing the gaseous active carbon-containing group into a reaction cavity, placing a metal substrate in the reaction cavity, and depositing the gaseous active carbon-containing group on the metal substrate at a growth temperature and a growth pressure to form a graphene layer so as to form a graphene metal composite structure. According to the preparation method, the carbon source is cracked at high temperature, so that the metal substrate is not required to catalyze the carbon source, the optional range of the metal substrate material is expanded, and the metal substrate can be a material with a catalytic effect on the carbon source and can also be a material without the catalytic effect on the carbon source.)
技术领域
本发明涉及复合材料制备领域，尤其涉及一种金属表面具有多相复合碳源的石墨烯制备方法及装置。
背景技术
石墨烯(graphene,Gr)凭借其优异的力学和导电性能，使其一问世便成为各领域研究的焦点。然而，石墨烯层厚度在纳米尺寸，导致其制备困难，这在很大程度上限制了石墨烯的应用。目前工业上制备石墨烯的方法主要有：(1)机械剥离法；(2)外延生长法；(3)氧化还原法；(4)化学气相沉积法等。其中，化学气相沉积法凭借成膜质量高、厚度可控、工艺过程简单以及可大规模生产等特点，成为当前最具有大批量工业化应用的方案。然而，当前化学气相沉积法同样存在一些问题，这些问题限制了该方法在工业上的大规模应用。
传统化学气相沉积法制备石墨烯通常采用气体作为碳源，将基底材料加热到800-1050℃，在高温条件下借助高温和基底材料对碳源分解的催化作用使气体碳源高温分解，并在基底材料表面沉积形核生长为石墨烯。
传统化学气相沉积法制备石墨烯主要存在以下几个问题：(1)石墨烯制备速率慢。该过程一般需30-60分钟方可制备得到覆盖率可到98％以上的石墨烯薄膜；(2)石墨烯制备温度高。制备温度一般在800-1050℃，即便采用等离子体辅助的方式促进碳源分解，也需将温度加热到600℃以上才能保证碳源分解并于基底材料表面制备石墨烯；(3)只能在对碳源分解具有催化作用的基底材料表面制备石墨烯。现有的制备石墨烯的方法不能够满足用户需求。
因此，亟需一种新的石墨烯金属复合结构的制备方法，以满足用户需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种金属表面具有多相复合碳源的石墨烯制备方法及装置，其能够扩大金属基底的范围，提高复合结构的性能。
为了解决上述问题，本发明提供了一种石墨烯金属复合结构制备方法，其包括如下步骤：提供固态有机碳源、液态有机碳源及气态有机碳源中的至少一种，形成碳源混合物；加热，使所述碳源混合物裂解为气态活性含碳基团；将所述气态活性含碳基团通入反应腔内，所述反应腔内放置有金属基底，在生长设温度及生长压力下，所述气态活性含碳基团沉积在所述金属基底上，形成石墨烯层，以形成石墨烯金属复合结构。
进一步，提供固态有机碳源、液态有机碳源及气态有机碳源中的至少一种，形成碳源混合物的步骤包括：提供固态有机碳源与液态有机碳源，并将其以预设质量比混合，形成固-液混合物；向所述固-液混合物内通入气态有机碳源，形成所述碳源混合物。
进一步，所述固-液混合物预设质量比为0.01％～30％。
进一步，将所述固-液混合物以第一流速通入容器，将所述气态有机碳源以第二流速通入所述容器，以形成所述碳源混合物。
进一步，所述第一流速为0.0005～20ml/min，所述第二流速为0.1～500sccm。
进一步，所述固态有机碳源、液态有机碳源及气态有机碳源为烃类及其衍生物。
进一步，所述固态有机碳源选自葡萄糖、多环芳烃、PMMA、PEG、石蜡、硬脂酸中的一种或几种。
进一步，所述液态有机碳源选自甲醇、乙醇、苯甲醚、苯、氯苯中的一种或几种。
进一步，所述气态有机碳源选自CH4、C2H6、C2H4、C2H2中的一种或几种。
进一步，加热，使所述碳源混合物裂解为气态活性含碳基团的步骤中，加热的温度为25～1100摄氏度，压力为0.005～780Torr。
进一步，将所述气态活性含碳基团通入反应腔内的步骤中，所述气态活性含碳基团的流速为0.1～500sccm。
进一步，在将所述气态活性含碳基团通入反应腔内的步骤之前，向所述反应腔内通入保护性气体及还原性气体，以对所述金属基底进行预处理。
进一步，所述预处理的温度为100～1000摄氏度，压力为0.05～500Torr，时间为1-100min。
进一步，在所述预处理结束后，将温度调整至生长温度及生长压力，所述气态活性含碳基团沉积在所述金属基底上，形成石墨烯层，所述生长温度为25～1100摄氏度，所述生长压力为0.05～780Torr，所述生长时间为1-100min。
进一步，在生长温度及生长压力下，所述气态活性含碳基团沉积在所述金属基底上沉积，形成石墨烯层，以形成石墨烯金属复合结构的步骤之后，对石墨烯金属复合结构进行冷却处理，冷却速率为5～40摄氏度/分钟。
本发明还提供一种金属表面具有多相复合碳源的石墨烯复合结构，其包括：金属基底，其对碳源裂解不具有催化作用；石墨烯层，沉积在所述金属基底上。
进一步，所述石墨烯层的覆盖率大于98％。
进一步，所述石墨烯层的厚度为1～200nm。
本发明还提供一种装置，用于石墨烯金属复合结构的制备，所述装置包括：
碳源混合容器，用于将固态有机碳源、液态有机碳源及气态有机碳源中的至少一种混合，形成碳源混合物，并能够用于加热，使所述碳源混合物裂解为气态活性含碳基团；
反应腔，与所述碳源混合容器连通，并用于接收所述气态活性含碳基团，所述反应腔内能够放置金属基底，在生长温度及生长压力下，所述气态活性含碳基团沉积在所述金属基底上，形成石墨烯层，以形成石墨烯金属复合结构。
进一步，所述碳源混合容器还包括：
固-液混合装置，用于将固态有机碳源、液态有机碳源混合，形成固-液混合物；
气态有机碳源供应装置，用于提供气态有机碳源；
多相碳源混合罐，一端与所述固-液混合装置及所述气态有机碳源供应装置连通，用于接收固-液混合物及气态有机碳源，形成碳源混合物，另一端与所述反应腔连通，用于向所述反应腔内提供气态活性含碳基团，所述多相碳源混合罐能够加热，以使所述碳源混合物裂解为气态活性含碳基团。
进一步，所述多相碳源混合罐包括加热腔及置于所述加热腔内的裂解腔，所述裂解腔内壁为螺旋构型，所述裂解腔与所述固-液混合装置及所述气态有机碳源供应装置连通，另一端与所述反应腔连通。
本发明的优点在于，针对传统化学气相沉积法制备石墨烯过程中存在的石墨烯制备速率慢、制备温度高以及金属基底受限等问题，本发明采用固-液-气多相碳源混合物，且所述多相碳源混合物在进入反应腔之前高温裂解，形成气态活性含碳基团，所述气态活性含碳基团沉积在金属基底表面，形成石墨烯金属复合结构。本发明石墨烯金属复合结构的制备方法先使碳源高温裂解，从而不需要金属基底对所述碳源进行催化，扩大了所述金属基底材料的可选范围，使得所述金属基底可为对碳源具有催化作用的材料也可为对碳源不具备催化作用的材料。
附图说明
图1是本发明一
具体实施方式
提供的金属表面具有多相复合碳源的石墨烯制备方法的步骤示意图；
图2是采用本发明一具体实施方式提供的制备方法制备的石墨烯金属丝复合结构表面的扫描电镜图；
图3是采用本发明一具体实施方式提供的制备方法制备的石墨烯金属箔复合结构表面的扫描电镜图；
图4是采用本发明一具体实施方式提供的制备方法制备的石墨烯金属丝复合结构的透射电镜图；
图5是本发明一具体实施方式提供的用于金属表面具有多相复合碳源复合结构的制备的装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的金属表面具有多相复合碳源的石墨烯制备方法及装置的具体实施方式做详细说明。
图1是本发明一具体实施方式提供的金属表面具有多相复合碳源的石墨烯制备方法的步骤示意图，请参阅图1，本发明石墨烯金属复合结构的制备方法包括如下步骤：
请参阅步骤S10，提供固态有机碳源、液态有机碳源及气态有机碳源中的至少一种，形成碳源混合物。
在本具体实施方式中，提供固态有机碳源、液态有机碳源及气态有机碳源三种碳源，形成多相碳源混合物，而在本发明其他具体实施方式中，可提供固态有机碳源、液态有机碳源、与气态有机碳源中的一种或者两种，形成碳源混合物。
其中，所述固态有机碳源、液态有机碳源及气态有机碳源为烃类及其衍生物。在本具体实施方式中，所述固态有机碳源选自葡萄糖、多环芳烃、PMMA、PEG、石蜡、硬脂酸中的一种或几种；所述液态有机碳源选自甲醇、乙醇、苯甲醚、苯、氯苯中的一种或几种；所述气态有机碳源选自CH4、C2H6、C2H4、C2H2中的一种或几种。
进一步，在本具体实施方式中，先将固态有机碳源与液态有机碳源以预设质量比混合，形成固-液混合物；再向所述固-液混合物内通入气态有机碳源，形成所述多相碳源混合物。该种方法能够精确控制固态有机碳源的添加量，并且能够精确控制固-液混合物与气态有机碳源的通入比例。其中，所述预设质量比为固态有机碳源与液态有机碳源的质量比，其数值为0.01％～30％。在本发明其他具体实施方式中，也可将所述固态有机碳源、液态有机碳源及气态有机碳源同步混合。
进一步，在本具体实施方式中，在形成所述固-液混合物后，将所述固-液混合物以第一流速通入容器，同时，将所述气态有机碳源以第二流速通入所述容器，以形成所述多相碳源混合物。其中，所述第一流速为0.0005～20ml/min，所述第二流速为0.1～500sccm，以使得所述气态有机碳源能够与所述固-液混合物充分混合。例如，在本具体实施方式中，所述容器可为多相碳源混合罐。
请参阅步骤S11，加热，使所述碳源混合物裂解为气态活性含碳基团。
在该步骤中，对所述碳源混合物加热，加热温度为25～1100摄氏度，压力为0.005～780Torr。所述碳源混合物发生高温裂解，形成气态活性含碳基团。
具体地说，在本具体实施方式中，所述碳源混合罐升温至25～1100摄氏度，且保持所述多相碳源混合罐内的压力为0.005～780Torr，所述多相碳源混合物发生高温裂解，形成气态活性含碳基团。其中，所述温度与所述多相碳源混合罐内的压力根据多相碳源的不同而具体设置，能够实现碳源的裂解即可。
请参阅步骤S12，将所述气态活性含碳基团通入反应腔内，所述反应腔内放置有金属基底，在生长温度及生长压力下，所述气态活性含碳基团沉积在所述金属基底上，形成石墨烯层，以形成石墨烯金属复合结构。
所述金属基底为金属丝或者金属箔，对于金属丝而言，其直径为10～500微米，对于金属箔而言，其厚度为10～500微米。
本发明的具体实施方式中，利用卷对卷(roll-to-roll,R2R)沉积方式，在对卷输入端和对卷输出端之间传输金属基底，并且在金属基底传输过程中，所述气态活性含碳基团在金属基底表面沉积，形成石墨烯层。所述卷对卷沉积方式能够连续化制备石墨烯金属复合结构。
卷对卷气相沉积设备包括管式炉、分别位于所述管式炉两侧的对卷输入端和对卷输出端。所述对卷输入端和对卷输出端分别包括圆柱形滚筒，将连续的金属基底卷覆于对卷输入端的滚筒上，通过传送带传送以及滚筒转动，将金属基底送入管式炉内，进行气态活性含碳基团的沉积，形成石墨烯金属复合结构自管式炉的另一端输出，卷覆于对卷输出端的滚筒上，可以实现连续化的制备。
在本具体实施方式中，所述气态活性含碳基团通入反应腔内的流速为0.1～500sccm。进一步，在本具体实施方式中，在将所述气态活性含碳基团通入反应腔内的步骤之前(即步骤S12之前)，还包括如下步骤：向所述反应腔内通入保护性气体及还原性气体，以对所述金属基底进行预处理，去除所述金属基底表面的氧化层及杂质，以利于后续气态活性含碳基团的沉积。其中，所述保护性气体选自于氮气、氩气、氦气中的至少一种，所述还原性气体选自于氢气、一氧化碳中的至少一种。
进一步，在预处理过程中，为了提高预处理效率，所述预处理的温度为100～1000摄氏度，反应腔内的压力为0.05～500Torr，处理时间为1～100min。进一步，所述保护性气体的流量为1-500sccm，所述还原性气体的流量为1-500sccm。
进一步，在所述反应腔内，所述生长温度为25～1100摄氏度，所述生长压力为0.05～780Torr，生长时间为1-100min，以完成所述气态活性含碳基团的沉积。其中，所述预设温度及所述预设压力可根据所述气态活性含碳基团的种类不同而具体设置。
进一步，在形成所述石墨烯金属复合结构的步骤之后，还包括如下步骤：对石墨烯金属复合结构进行冷却处理。也就是说，将生长完石墨烯的石墨烯金属复合结构从高温快速冷却至室温。在本具体实施方式中，可采用循环水冷的方式进行冷却，在本发明其他具体实施方式中，也可采用其他方式，例如风冷。
进一步，冷却速率为5～40摄氏度/分钟，以实现快速降温。
本发明碳源混合物在进入反应腔之前高温裂解，形成气态活性含碳基团，所述气态活性含碳基团沉积在金属基底表面，形成石墨烯金属复合结构。本发明石墨烯金属复合结构的制备方法在先使碳源高温裂解，从而不需要金属基底对所述碳源进行催化，扩大了所述金属基底材料的可选范围。所述金属基底可为对碳源具有催化作用的材料也可为对碳源不具备催化作用的材料。另外，所述金属基底不仅可以为纯金属，还可以为金属合金。例如，所述金属基底可以为Fe、Ag、Au、Cu、Ru，、Ta、Al、Mg、Ni、Co、Cr、Zr、Sn、Ti、Mo、Zn等金属及其合金丝或箔，合金例如为Cu-Cr系、Cu-Mg系、Cu-Fe系、Cu-Ni系、Cu-Ag系等。
另外，传统石墨烯制备方式为借助金属基底对碳源分解的催化作用，使碳源分解为活性基团，逐渐在金属材料表面沉积形成石墨烯，当金属材料表面被石墨烯覆盖后，金属材料就失去了对碳源的分解作用，因而所制备石墨烯厚度通常较薄(＜5nm)，此生长方式被称为自限生长。而本发明所采用方法避免了石墨烯制备过程对金属材料表面催化作用的依赖，因而可制备更厚的石墨烯，此外更厚的石墨烯制备过程中也有利于形成更高的覆盖率。具体地说，本发明制备方法中，沉积的石墨烯层的厚度可达1-200nm、沉积的石墨烯层的覆盖率可达98％以上。
本发明一具体实施方式还提供了一种采用上述制备方法形成的石墨烯金属复合结构，其包括金属基底及石墨烯层。所述金属基底对碳源裂解不具有催化作用。所述石墨烯层沉积在所述金属基底上。
本发明石墨烯金属复合结构中，在沉积石墨烯时不需要采用金属基底进行催化，则所述金属基底可采用对碳源裂解不具有催化作用的材料，也可采用对所述碳源裂解具有催化作用的材料，大大扩大了所述金属基底的材料选择范围。进一步，所述金属基底可以为纯金属，也可为合金。另外，本发明所采用方法避免了石墨烯制备过程对金属材料表面催化作用的依赖，因而可制备更厚的石墨烯，此外更厚的石墨烯制备过程中也有利于形成更高的覆盖率。例如，在本发明一具体实施方式中，所述石墨烯层的覆盖率大于98％。所述石墨烯层的厚度为1～200nm。
本发明还提供一石墨烯金属复合结构的制备方法的实施例。具体说明如下：
(1)将葡萄糖、多环芳烃、PMMA、PEG、石蜡、硬脂酸等有机物中的一种或多种以0.01-30％的质量比溶于甲醇、乙醇、苯甲醚、苯、氯苯等有机溶剂中的一种或多种形成固体-液体碳源混合物。
(2)用蠕动泵将该混合物以0.0005-20mL/min的速度通入多相碳源混合罐中.
(3)以0.1sccm-500sccm的流量向该多相碳源混合罐中通入CH4、C2H6、C2H4、C2H2等具有含碳气体中的一种或多种。
(4)多相碳源混合罐升温至25-1100℃，罐内压力保持在0.005-780Torr，使多相混合碳源在混合罐中裂解为气态活性含碳基团。
(5)将长度为1-5000m，直径为10-500μm的金属丝或者厚度为10-500μm的金属箔置于管式炉中，并向管式炉中通入的保护性气体和还原性气体对金属丝(箔)进行预处理。其中保护性气体为N2、Ar、He等气体的一种或多种，还原性气体为H2、CO等具有还原性的气体中的一种或多种。保护性气体和还原性气体流量分别为1-500sccm和1-500sccm，预处理过程中，管式炉内压力为0.05-500Torr，处理温度为100-1000℃，处理时间为1-100min。
(6)待预处理过程结束后，将管式炉内温度调整为25-1100℃，将气态活性含碳基团以0.1sccm-500sccm的流量通入管式炉中，并利用真空泵将管式炉内压力调节至0.05-780Torr，调节对卷速度，使石墨烯在管式炉恒温区的生长时间1-100min。
(6)利用循环冷却水系统对生长完Gr的金属丝(箔)从高温快速冷却至室温(冷却速度控制在5-40℃/min)，进而在对卷的输出端得到石墨烯/金属丝(箔)，其石墨烯覆盖率可达98％以上，石墨烯厚度范围为1-200nm。
图2是采用本发明一具体实施方式提供的制备方法制备的石墨烯金属丝复合结构表面的扫描电镜图，图3是采用本发明一具体实施方式提供的制备方法制备的石墨烯金属箔复合结构表面的扫描电镜图，可见，在金属丝及金属箔的表面均均匀地沉积有石墨烯层，石墨烯层的覆盖率达98％。图4是采用本发明一具体实施方式提供的制备方法制备的石墨烯金属箔复合结构中石墨烯厚度图，可见，采用本发明制备方法制备的石墨烯层厚度均匀，且大于1nm。
本发明还提供一种装置，所述装置用于石墨烯金属复合结构的制备。图5是本发明一具体实施方式提供的用于石墨烯金属复合结构的制备的装置的结构示意图。请参阅图5，所述装置包括碳源混合容器50及反应腔60。
所述碳源混合容器50用于将固态有机碳源、液态有机碳源及气态有机碳源中的至少一种混合，形成碳源混合物，并能够用于加热，使所述碳源混合物裂解为气态活性含碳基团。
所述反应腔60与所述碳源混合容器50连通，并用于接收所述气态活性含碳基团，所述反应腔内能够放置金属基底，在生长温度及生长压力下，所述气态活性含碳基团沉积在所述金属基底上，形成石墨烯层，以形成石墨烯金属复合结构。
进一步，在本具体实施方式中，所述碳源混合容器50还包括固-液混合装置51、气态有机碳源供应装置52、多相碳源混合罐53。
所述固-液混合装置51用于将固态有机碳源、液态有机碳源混合，形成固-液混合物。具体地说，将固体有机碳源置于所述固-液混合装置51中，向所述固-液混合装置51中加入液态有机碳源，形成固-液混合物。
所述气态有机碳源供应装置52用于提供气态有机碳源。
所述多相碳源混合罐53一端与所述固-液混合装置51及所述气态有机碳源供应装置52连通，用于接收固-液混合物及气态有机碳源，形成碳源混合物。进一步，所述固-液混合装置51通过蠕动泵54与所述多相碳源混合罐53一端连接，所述蠕动泵54将所述固-液混合装置51内的固-液混合物泵入所述多相碳源混合罐53内。
所述多相碳源混合罐53的另一端与所述反应腔60连通，用于向所述反应腔60内提供气态活性含碳基团。
所述多相碳源混合罐53还能够加热，以使所述碳源混合物裂解为气态活性含碳基团。
进一步，在本具体实施方式中，所述多相碳源混合罐53包括加热腔531及置于所述加热腔531内的裂解腔532。所述加热腔531用于加热所述裂解腔532，以使所述裂解腔532内的温度达到碳源的裂解温度。其中，所述裂解腔532的一端与所述固-液混合装置51及所述气态有机碳源供应装置52连通，即固-液混合物与气态有机碳源经所述裂解腔532的一端进入所述裂解腔532，形成碳源混合物。
所述裂解腔532内壁为螺旋构型，碳源混合物沿着螺旋构型路线向所述裂解腔532的另一端流动，在高温作用下，碳源混合物前端高温裂解为气态活性含碳基团。
所述裂解腔532另一端与所述反应腔60连通，碳源混合物前端高温裂解产生的气态活性含碳基团通入所述反应腔60内，参加沉积反应。
本发明装置能够实现碳源混合物在进入反应腔之前高温裂解，形成气态活性含碳基团，所述气态活性含碳基团沉积在金属基底表面，形成石墨烯金属复合结构。本发明石墨烯金属复合结构的制备方法在先使碳源高温裂解，从而不需要金属基底对所述碳源进行催化，扩大了所述金属基底材料的可选范围。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：金刚石基抗划伤复合基板及其制备方法