[实用新型]一种快速制备大范围垂直取向石墨烯的装置

说明书

技术领域

本实用新型属于纳米材料制备技术领域，尤其涉及一种快速制备大范围垂直取向石墨烯的装置。

背景技术

石墨烯（graphene）是由碳原子按照sp²杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格的二维晶体结构，厚度仅为单层碳原子直径。由于其独特的二维结构以及优异的晶体品质，石墨烯拥有巨大的比表面积（2630 m²g^-1），同时在导电性（电子迁移率20000 cm²V^-1s^-1）、导热性（导热系数5300 Wm^-1k^-1）、机械力学强度（强度极限42 Nm^-1）等方面均表现出非常优异的特性。2004年英国曼彻斯特大学的海姆（Geim A.）和诺沃肖洛夫（Novoselov K.）等人首次将石墨烯从石墨中分离出来（Novoselov KS, Geim AK, et al. Science, 2004; 306: 666-669）。基于这种新型纳米材料所展现出的优异性能和巨大应用潜力，两人共同获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

专利申请号为201110093737.9、201110048734.3、201110060953.3等专利文件中公开了石墨烯材料的多种制备方法，但是所获得的石墨烯均与基底呈平行方向，即多层石墨烯堆叠在基底表面。然而，石墨烯的一些应用过程要求石墨烯竖直生长在基底表面。例如：当采用石墨烯作为超级电容器活性材料时（Miller JR, Outlaw RA, et al. Science, 2010; 329: 1637-1639），只有当石墨烯的边缘面向离子的运动方向时才能将石墨烯的表面充分应用于离子存储。类似的应用还包括：场致发射、场电离、锂离子电池、催化剂载体等。上述应用均要求石墨烯竖直生长在基底表面，以实现对石墨烯纳米级厚度的边缘和巨大的比表面积进行充分利用。

根据文献检索，目前垂直取向石墨烯大多采用等离子体增强化学气相沉积（plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD）技术在低压或真空条件下制备，例如：微波等离子体源，133 Pa（Wu YH, Qiao PW, et al. Advanced Materials, 2002; 14: 64-67）；射频电感耦合等离子体源，12 Pa（Wang JJ, Zhu MY, et al. Applied Physics Letters, 2007; 90: 123107），射频电容耦合等离子体源，13.3 Pa（Hiramatsu M, Shiji K, et al. Applied Physics Letters, 2004; 84: 4708-4710）等。上述等离子体气相增强化学气相沉积过程所要求的低压或真空，严重影响了石墨烯的生长速度和生长面积，阻碍了这种优质纳米材料大规模制备与应用。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种快速制备大范围垂直取向石墨烯的装置。

快速制备大范围垂直取向石墨烯的装置包括加热炉、多锥电极、高压负电电源、石英管、基底、陶瓷绝缘体、和电动平移台；多锥电极、基底和绝缘陶瓷体布置在石英管内，石英管放置在加热炉内；基底面对多锥电极锥尖；基底与电动平移台相连；基底接地，多锥电极与高压负电电源相连。

所述多锥电极为两套以上锥形电极阵列，相邻锥形电极平行，之间采用陶瓷绝缘体相隔，间距为1～10毫米。

所述多锥电极中的单个锥形电极的锥度为1：3～1：20。

所述多锥电极中的每个锥形电极均采用独立的高压负电电源3供电。

基底与多锥电极锥尖的间距为1～20毫米。

所述基底材料为金、银、铜、铝、铁、不锈钢、硅和碳中一种或多种。

本实用新型与现有技术相比具有的有益效果：

1）通过此方法，可以实现石墨烯在多种导电基底表面的竖直生长。所获得的纳米片由约1～7层石墨烯组成，总厚度约1～10纳米，石墨烯层间距约0.355纳米，生长方向近似垂直于基底。

2）相比于胶带剥离法、氧化石墨还原法、碳化硅外延生长法等石墨烯制备方法，此方法制备的石墨烯近似垂直于基底，尤其适用于场致发射、纳米级等离子体、催化剂载体和储能等应用。