[发明专利]一种石墨烯阵列表面原位生长碳纳米洋葱、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种石墨烯阵列表面原位生长碳纳米洋葱、制备方法及应用，以石墨烯阵列为基底，在催化剂的作用下，通过化学气相沉积，在石墨烯阵列表面原位生长出碳纳米洋葱，使得碳纳米洋葱颗粒均匀生长在石墨烯阵列表面，具有良好的分布均匀性、结晶度以及稳定性。碳纳米洋葱与石墨烯阵列的组合，综合了两者功能上的优点，石墨烯阵列提供了大的比表面积、良好的导电导热基底以及分散性，碳纳米洋葱的原位生长进一步增强了石墨烯阵列的功能性，提供了电磁属性和自旋电子属性，使其可以在真空微电子、电磁屏蔽、催化、电化学储能等方面具有广阔的应用价值。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，涉及一种石墨烯阵列表面原位生长碳纳米洋葱、制备方法及应用。

背景技术

石墨烯作为一种新型二维碳纳米材料，具备优良的电学、光学及力学特性，因而在众多领域具有广泛的应用前景。石墨烯二维碳晶格骨架是上下对称分布的电子云，容易在层间形成非共价键形式π-π键。石墨烯受其片层之间存在π-π键以及强有力的范德华力，易发生团聚和堆叠现象。这极大地阻碍了石墨烯优良性能的充分发挥，限制了其广泛的应用和发展。石墨烯阵列是一种由石墨烯纳米片层构筑的三维宏观体结构，这种特殊的结构使得石墨烯片能够相互支撑，阻止团聚现象的产生。石墨烯阵列具有高的比表面积以及良好的电、热导率等优异性能，可以满足不同领域的应用需求。

与石墨烯类似，碳纳米洋葱由于其独特的零维球状结构和石墨化碳壳层的化学稳定性而具有很多优越的物理与化学性能，如电学性能、光学性能与电磁性能，因此其在很多领域都显示出了潜在应用的价值。有研究表明，碳纳米洋葱的比表面积可高达984.3m²/g，可以作为电子/离子储能材料。

现阶段制备碳纳米洋葱的方法有电弧放电法、等离子体法、电子束辐射法、化学气相沉积、纳米金刚石真空热处理、热解法等。其中，电弧放电法制备的碳纳米洋葱含有大量的含碳杂质，如：无定形碳，碳纳米管，碳纳米管类似物，石墨碎片及金属杂质等；电子束辐射法制备碳纳米洋葱工艺成本高、产率低；热解法制备的碳纳米洋葱粒径大，需纯化之后才可以达到要求；化学气相沉积制备工艺简单、廉价，易于实现大规模生产，且制备的碳纳米洋葱质量高，缺陷少。

专利CN110255626B中阐述了一种基于气相沉积制备表面活性洋葱状碳纳米球的方法，其制备的碳纳米洋葱颗粒团聚严重，不利于碳纳米洋葱性能的发挥与实际应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种石墨烯阵列表面原位生长碳纳米洋葱、制备方法及应用，具有生产成本低，易操作，产品形貌可控等特点，显著提高了石墨烯阵列在电化学储能、电催化、传感器等领域的应用性能。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种石墨烯阵列表面原位生长碳纳米洋葱，包括石墨烯阵列以及原位生长于其表面的碳纳米洋葱，其中，石墨烯阵列的高度为1～20μm，层数1～10层，阵列呈随机分布；碳纳米洋葱的直径10～100nm，碳纳米洋葱具有以纳米金属为核、石墨化碳层为壳的核壳式结构，石墨化碳层为2～20。

上述一种石墨烯阵列表面原位生长碳纳米洋葱的制备方法，具体步骤如下：

(1)先将含金属的催化剂溶液旋涂于石墨烯阵列表面，烘干，煅烧，得到预处理石墨烯阵列；

(2)预处理石墨烯阵列转移至CVD气氛炉中，通入惰性气体，升温，接着切换为通入碳氢混合气体，进行碳纳米洋葱的生长，生长结束后自然降温至室温即可。

优选的，步骤(1)中，所述催化剂选自四氧化三铁纳米颗粒、二茂铁纳米颗粒、氧化钴纳米颗粒、氧化镍纳米颗粒、硝酸钴纳米颗粒或硝酸镍纳米颗粒中的任一种或几种，催化剂粒径为4～100nm。

优选的，步骤(1)中，所述催化剂溶液是将催化剂超声波分散于溶剂中而得，催化剂溶液的浓度为0.1～1.0mg/mL，溶剂选自甲醇、乙醇、丙酮、去离子水或正己烷。