[发明专利]一种在原位还原碳化钨时自生长石墨烯的方法

说明书

一种在原位还原碳化钨时自生长石墨烯的方法，属于钨基和碳基纳米材料技术领域。本发明通过将现有制备石墨烯的水平基底变成由大量纳米颗粒组成的钨源前驱体基底，通过钨源前驱体在碳化过程中的碳溶解过程，实现钨源前驱体在转化成碳化钨后的继续溶碳，由于碳化钨对碳的固溶量较低，通过控制反应系统中碳量的控制，使其在碳化钨表面实现吸附与析出生长石墨烯。本发明的装置简便，原料简单易得，成本低廉，对环境无污染；采用在惰性气体保护通入碳源，无明显易燃危险原料；产物易于处理，收率高，设备简单，可以半连续化操作，适于大量生产。

技术领域

本发明涉及一种钨基和碳基纳米材料技术领域的制备方法，具体是一种在原位还原碳化钨时通过化学气相沉积法得到碳源在纳米颗粒表面吸附与析出自生长石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯作为由sp²杂化的碳原子键合而形成的二维层状晶体结构, 其独特的能带结构和优良的电学、热学、电磁学和力学性质一直吸引着人们的广泛关注, 并有望在未来较多工业领域得到实际应用。自2004 年以来，石墨烯的性质和应用研究已取得长足进步，然而，迄今为止，如何大批量地制备高质量的石墨烯, 仍是石墨烯研究者们关注的重要问题。

目前发展的机械剥离法、石墨氧化物还原法、单晶金属或碳化硅表面外延法及化学气相沉积法等各种制备方法不能满足人们对大批量高品质石墨烯的需求。经对现有文献检索方现，制备高品质量的方法主要采用化学气相沉积法，X. Li等在《Science》（科学）2009年第324期1312到1314页发表了《Large-area synthesis of high-quality anduniform graphene films on copper foils》（铜箔表面生长高品质大面积石墨烯），O. K.Yu等在《Applied Physics Letters》（应用物理学快报）2008年第93期11303-1到11303-3页的上发表《Graphene segregated on Ni surfaces and transferred to insulators》（镍表面生长石墨烯并转移到绝缘体），邹志宇等在《中国科学：化学》2013年第1期1到17页上发表了《石墨烯的化学气相沉积生长与过程工程学研究》等三文，在这三篇文献中对化学气相沉积法合成石墨烯进行了全面的研究和论述。它们主要是通过以金属镍、铜或二元的合金等金属片或膜为基底作为催化剂，依靠镍、铜或二元的合金等对碳有一定溶解度的原理，通过将碳源进行化学气相分解，得到的碳原子在金属体相内溶解和扩散，并在制备结束后温度降低的过程中在金属基底内部析出，制备出高质量的石墨烯。然而，迄今为止，该法所用的基底依然是连续的金属片或膜状为基底，通过各种碳源分解出的碳原子在金属基底的表面扩散和低温析出得到沉积于基底表面很薄的石墨烯样品，然后通过后续石墨烯膜的转移，使其沉积于不同表面。由于金属基底面表面积所限，合成所得的石墨烯产量较低，不能满足在规模应用对石墨烯产品的需求；另一方面该法的合成成本相对较高，限制了石墨烯产品的大规模应用。

发明内容

本发明的目的是针对化学气相沉积法不能大批量制备石墨烯的缺点，提出通过将现有制备石墨烯的水平基底变成由大量纳米颗粒组成的钨源前驱体基底，通过钨源前驱体在碳化过程中的碳溶解过程，实现钨源前驱体在转化成碳化钨后的继续溶碳，由于碳化钨对碳的固溶量较低，通过控制反应系统中碳量的控制，使其在碳化钨表面实现吸附与析出生长石墨烯。由于将有限的水平基底变成了纳米颗粒组成的表面，使得与碳接触的表面成几何数量级增长，因而可大量制备石墨烯。另外，本发明的装置简便，原料简单易得，成本低廉，对环境无污染；采用在惰性气体保护通入碳源，无明显易燃危险原料；产物易于处理，收率高，设备简单，可以半连续化操作，适于大量生产。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的，本发明涉及一种在原位还原碳化钨时自生长石墨烯的方法，依次包括如下步骤：