CN107161985A - 一种低温生长石墨烯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温生长石墨烯的方法，包括如下步骤：1）以结晶状氯化钠（NaCl）为衬底，在其上事先采用磁控溅射方法预沉积一层厚度为10nm的Zn薄膜。2）‑将上述预沉积有Zn膜的NaCl衬底置于管式电阻炉中，加热至300‑350℃，通入H2‑CH4‑N2为反应气体，反应3.5小时。3）反应结束后，关闭电源，继续通入H2气，利用H2气冷却，使样品快速冷却至室温，得到所需的产物石墨烯。根据上述低温生长方法制得的石墨烯，为二维层状结构，竖直生长在衬底上，并互相连接形成多孔结构，形貌结构均匀。本发明生长温度降低至300℃，这是石墨烯生长的非常低的温度；且生长制得的石墨烯形貌均匀、多孔具有搞得比表面积，在超级电容器中具有广阔应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯制备技术领域，尤其是石墨烯低温生长的技术领域。
背景技术
石墨烯是最近十余年来最为火热的新材料，是一种典型的二维纳米材料，各方面性能优异，几乎成为一种万能材料。
石墨烯的生长方法有很多种，主要可分为两个方面：其一，气相方法，生长的石墨烯为单层或者较少的几层，通常应用于微电子、光电子、光学、电学等领域；其二，液相方法，生长的石墨烯为具有较多层数的层状材料，通常应用于催化、锂离子电池、超级电容器等领域。
在气相生长方法中，通常的生长过程为：以Cu或SiC片为基底，CH4和H2为反应气体，在1000℃以上生长，需要很高的温度，能耗大，而且产量低。
最近几年来，人们追求的目标之一是实现石墨烯的低温气相生长。
本发明提供一种超低温度生长石墨烯的新方法。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明旨在发明一种超低温度下生长石墨烯的新方法。
本发明提供了一种低温生长石墨烯的方法，包括如下步骤：
1）以结晶状氯化钠（NaCl）为衬底，在其上事先采用磁控溅射方法预沉积一层厚度为10nm的Zn薄膜；
2）将上述预沉积有Zn膜的NaCl衬底置于管式电阻炉中，加热至300-350℃，通入H2-CH4-N2为反应气体，气体压强为50-60Pa，其中H2:CH4:N2分压比为25:60:15，反应3.5小时；
3）反应结束后，关闭电源，停止通入N2和CH4，继续通入H2气，并使气体压强升至1000Pa，利用H2气冷却，使样品快速冷却至室温，得到所需的产物。
本发明还提供了根据上述低温生长方法制得的一种石墨烯，该石墨烯为二维层状结构，层厚2-5 nm，竖直生长在衬底上，并互相连接形成多孔结构，孔大约为30-150nm，形貌结构均匀。
本发明的有益成果在于：
1）本发明的低温生长石墨烯的方法，采用NaCl为衬底，在其上预沉积一层Zn薄膜，并在混合气体中加入N2，利用界面的相互活化和协调催化作用，以及N2气体在表面的吸附和辅助催化效果，可使生长温度降低至300℃，这是石墨烯生长的非常低的温度，也是本发明的主要优势。
2）本发明的低温生长石墨烯的方法，所制备的石墨烯形貌结构均一，具有多孔结构，结构性能优异，可在锂离子电池、超级电容器、催化、光电等诸多领域获得应用。
3）本发明的低温生长石墨烯的方法，大幅度降低了可以生长石墨烯的温度，而且成品率高，设备简单，操作方便，易于推广，可实现产业化生产。
附图说明
图1为实施例1得到的低温生长石墨烯材料的扫描电子显微镜（SEM）图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
1）以结晶状氯化钠（NaCl）为衬底，在其上事先采用磁控溅射方法预沉积一层厚度为10nm的Zn薄膜；
2）将上述预沉积有Zn膜的NaCl衬底置于管式电阻炉中，加热至300℃，通入H2-CH4-N2为反应气体，气体压强为55Pa，其中H2:CH4:N2分压比为25:60:15，反应3.5小时；
3）反应结束后，关闭电源，停止通入N2和CH4，继续通入H2气，并使气体压强升至1000Pa，利用H2气冷却，使样品快速冷却至室温，得到所需的产物。
实施例2
1）以结晶状氯化钠（NaCl）为衬底，在其上事先采用磁控溅射方法预沉积一层厚度为10nm的Zn薄膜；
2）将上述预沉积有Zn膜的NaCl衬底置于管式电阻炉中，加热至350℃，通入H2-CH4-N2为反应气体，气体压强为50Pa，其中H2:CH4:N2分压比为25:60:15，反应3.5小时；
3）反应结束后，关闭电源，停止通入N2和CH4，继续通入H2气，并使气体压强升至1000Pa，利用H2气冷却，使样品快速冷却至室温，得到所需的产物。
实施例3
1）以结晶状氯化钠（NaCl）为衬底，在其上事先采用磁控溅射方法预沉积一层厚度为10nm的Zn薄膜；
2）将上述预沉积有Zn膜的NaCl衬底置于管式电阻炉中，加热至300℃，通入H2-CH4-N2为反应气体，气体压强为60Pa，其中H2:CH4:N2分压比为25:60:15，反应3.5小时；
3）反应结束后，关闭电源，停止通入N2和CH4，继续通入H2气，并使气体压强升至1000Pa，利用H2气冷却，使样品快速冷却至室温，得到所需的产物。
采用扫描电子显微镜对各实施例制得的最终产物石墨烯进行微观形貌观察，如图1为实施例1得到的低温生长石墨烯材料的扫描电子显微镜（SEM）图。图中显示所生长的石墨烯为二维层状结构，层厚2-5 nm，竖直生长在衬底上，并互相连接形成多孔结构，孔大约为30-150nm，形貌结构均匀。另外实施例2或实施例3生长得到的石墨烯微观形貌与实施例1类似。
本发明一种低温生长石墨烯的方法，采用NaCl为衬底，在其上预沉积一层Zn薄膜，并在混合气体中加入N2，利用界面的相互活化和协调催化作用，以及N2气体在表面的吸附和辅助催化效果，可使生长温度降低至300℃，这是石墨烯生长的非常低的温度，也是本发明的关键。
以上所述，将仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明的技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (5)
1.一种低温生长石墨烯的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）以结晶状氯化钠为衬底，在其上事先采用磁控溅射方法预沉积一层Zn薄膜；
2）将上述预沉积有Zn膜的氯化钠衬底置于管式电阻炉中，加热至300-350℃，通入H2-CH4-N2为反应气体，反应3.5小时；
3）反应结束后，关闭电源，停止通入N2和CH4，继续通入H2气，并使气体压强升至1000Pa，利用H2气冷却，使样品快速冷却至室温，得到所需的产物石墨烯。
2.根据权利要求1所述的一种低温生长石墨烯的方法，其特征在于：步骤2）通入气体的压强为50-60Pa。
3.根据权利要求1所述的一种低温生长石墨烯的方法，其特征在于：步骤2）通入的反应气体H2-CH4-N2，各气体H2:CH4:N2分压比为25:60:15。
4.根据权利要求1所述的一种低温生长石墨烯的方法，其特征在于：步骤1）中预沉积一层Zn薄膜的厚度为10nm。
5.根据权利要求1至4任一项所述低温生长方法制备的石墨烯，其特征在于：所述石墨烯为二维层状结构，层厚2-5 nm，竖直生长在衬底上，并互相连接形成多孔结构，孔大约为30-150nm，形貌结构均匀。
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