本發(fā)明屬于新型碳材料，具體涉及一種常壓下催化合成金剛石納米片的方法。

背景技術(shù)：

1、金剛石納米片結(jié)合了體相金剛石和二維材料的優(yōu)異特性，具有優(yōu)良的傳熱性能、超低摩擦、高固有頻率和可調(diào)帶隙，在納米光子學(xué)、超靈敏諧振器傳感器和提高耐磨性等方面具有潛在的技術(shù)和工業(yè)應(yīng)用前景。然而，目前金剛石納米片的制備方法主要包括：至上而下法和至下而上法。第一種方法通過(guò)沿著體相金剛石(111)晶面解離從體相金剛石中自上而下剝離出金剛石納米片，第二種方法通過(guò)化學(xué)氣相沉積的至下而上生長(zhǎng)出金剛石納米片。但是，這兩種方法均存在實(shí)驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)條件苛刻等問(wèn)題。并且，現(xiàn)有技術(shù)中常借助高壓等手段使石墨烯直接轉(zhuǎn)換為二維金剛石，該種方法獲得的二維金剛石(金剛石納米片)一旦壓力釋放后，又會(huì)重新轉(zhuǎn)變?yōu)槭?，獲得的金剛石納米片不穩(wěn)定。所以需要尋求其他技術(shù)手段來(lái)避免該問(wèn)題。

2、現(xiàn)有技術(shù)中如公開(kāi)號(hào)為cn117776173a的專利申請(qǐng)中利用hfcvd系統(tǒng)，在較低功率下降低鉭絲處理氣壓，將金屬鉭絲逸出的單分散鉭原子沉積到單晶鱗片石墨襯底表面，再進(jìn)行退火處理，在常壓下實(shí)現(xiàn)了石墨向金剛石轉(zhuǎn)變。如公開(kāi)號(hào)為cn118062842?a的專利申請(qǐng)中通過(guò)pvd系統(tǒng)制備得到鉭負(fù)載的石墨樣品，利用mpcvd系統(tǒng)對(duì)石墨樣品進(jìn)行氫等離子體處理，再進(jìn)行退火處理，在常壓下實(shí)現(xiàn)了石墨向金剛石轉(zhuǎn)變。這兩種方法均是利用的上述第二種方法通過(guò)化學(xué)氣相沉積的至下而上生長(zhǎng)出金剛石納米片，存在實(shí)驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)條件苛刻的問(wèn)題。

3、因此，開(kāi)發(fā)一種在溫和條件下合成金剛石納米片的便捷新方法是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，為了解決金剛石納米片的合成過(guò)程中實(shí)驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)條件苛刻的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)提供一種常壓催化合成金剛石納米片的方法及其應(yīng)用，該方法具有在常壓下合成穩(wěn)定金剛石納米片的優(yōu)勢(shì)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一方面，本發(fā)明提供了一種常壓下催化合成金剛石納米片的方法，包括以下步驟：

4、(1)稱取二維碳化鈦和ni金屬粉末，混合均勻后預(yù)壓成型，再壓實(shí)，獲得二維的tic/ni壓實(shí)體；該過(guò)程中避免二維碳化鈦與空氣接觸發(fā)生氧化反應(yīng)。

5、(2)將二維的tic/ni壓實(shí)體置于管式爐中，通入氬氣(以排出石英管內(nèi)的殘留空氣)，加熱(在高純氬氣的保護(hù)下進(jìn)行加熱，以避免在升溫過(guò)程中二維碳化鈦發(fā)生氧化)，關(guān)閉氬氣通入氯氣進(jìn)行蝕刻反應(yīng)，停止通入氯氣的同時(shí)通入氬氣，冷卻至室溫，獲得具有金剛石納米片的碳材料；

6、(3)取具有金剛石納米片的碳材料，在空氣氣氛下，升溫并保持進(jìn)行氧化，獲得提純后的金剛石納米片，以去除樣品中的非金剛石相。

7、所述的一種常壓下催化合成金剛石納米片的方法，步驟(1)中所述二維碳化鈦的制備方法為：

8、(a)取石墨，置于高氯酸中浸泡，轉(zhuǎn)移置于管式爐中升溫進(jìn)行反應(yīng)，獲得石墨稀聚集體；

9、(b)將石墨稀聚集體、金屬鈦粉和干燥的混合鹽混合研磨后，在ar氣氛下升溫進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫，洗滌，抽濾，干燥，獲得二維碳化鈦。

10、所述的一種常壓下催化合成金剛石納米片的方法，步驟(a)中所述石墨與高氯酸的質(zhì)量體積比為1:(10～15)g/ml；

11、所述浸泡的時(shí)間為0.5～1.5h；

12、所述升溫進(jìn)行反應(yīng)的條件為：升溫速率3～5℃/min，升溫至170～200℃，反應(yīng)時(shí)間1～1.5h。

13、一種常壓下催化合成金剛石納米片的方法，步驟(b)中所述混合鹽為氯化鈉和氯化鉀的混合鹽；氯化鈉和氯化鉀在與石墨烯聚集體和金屬鈦粉混合前需要在真空干燥箱中進(jìn)行脫水處理，優(yōu)選，脫水的溫度和時(shí)間分別為140℃和12h，否則將不能合成2d?tic。

14、所述石墨稀聚集體、金屬鈦粉和混合鹽的質(zhì)量比為0.3:1.2:10.5；

15、所述升溫進(jìn)行反應(yīng)的條件為：升溫速率4～5℃/min，升溫至850～950℃，反應(yīng)時(shí)間3～5h。

16、所述的一種常壓下催化合成金剛石納米片的方法，所述氯化鈉和氯化鉀的質(zhì)量比為1:1。

17、所述的一種常壓下催化合成金剛石納米片的方法，步驟(1)中所述二維碳化鈦和ni金屬粉末的質(zhì)量比為1:1～10；

18、所述的一種常壓下催化合成金剛石納米片的方法，步驟(1)所述預(yù)壓成型的壓力為2～8mpa；

19、所述壓實(shí)的條件為：壓實(shí)應(yīng)力5～6gpa，并在該壓實(shí)應(yīng)力下保持5～10min。

20、所述的一種常壓下催化合成金剛石納米片的方法，步驟(2)中所述通入氬氣的條件為：流速300～600ml/min，時(shí)間10～30min；

21、所述加熱的條件為：升溫速率10～15℃/min，加熱至1000℃；

22、所述通入氯氣的流速為30～60ml/min；

23、所述蝕刻反應(yīng)的時(shí)間為1.5～2.5h。

24、所述的一種常壓下催化合成金剛石納米片的方法，步驟(3)中所述升溫并保持的條件為：升溫速率10℃/min，升溫至475～525℃，保持15～20h。

25、第二方面，本發(fā)明提供了任一項(xiàng)所述的方法在常壓下催化合成金剛石納米片中的應(yīng)用。

26、第三方面，本發(fā)明提供了一種金剛石納米片，通過(guò)任一項(xiàng)所述的方法合成獲得。

27、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

28、本發(fā)明通過(guò)六面頂壓機(jī)施加壓實(shí)應(yīng)力的方式，將納米級(jí)的鎳粉以高應(yīng)力狀態(tài)引入到2dtic片層間。在后續(xù)的氯氣蝕刻過(guò)程中，2d?tic中的ti原子被選擇性蝕刻去除，剩余的c原子在具有高應(yīng)力狀態(tài)下的鎳催化劑的作用下重組形成金剛石納米片結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所制備的金剛石納米片的橫向尺寸范圍為120-180nm，厚度范圍為2.67-4.33nm，且本發(fā)明方法的合成條件容易實(shí)現(xiàn)，工藝簡(jiǎn)單，成本低。

技術(shù)特征：

1.一種常壓下催化合成金剛石納米片的方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的一種常壓下催化合成金剛石納米片的方法，其特征在于，步驟(1)中所述二維碳化鈦的制備方法為：

3.如權(quán)利要求2所述的一種常壓下催化合成金剛石納米片的方法，其特征在于，步驟(a)中所述石墨與高氯酸的質(zhì)量體積比為1:(10～15)g/ml；

4.如權(quán)利要求2所述的一種常壓下催化合成金剛石納米片的方法，其特征在于，步驟(b)中所述混合鹽為氯化鈉和氯化鉀的混合鹽；

5.如權(quán)利要求4所述的一種常壓下催化合成金剛石納米片的方法，其特征在于，所述氯化鈉和氯化鉀的質(zhì)量比為1:1。

6.如權(quán)利要求1所述的一種常壓下催化合成金剛石納米片的方法，其特征在于，步驟(1)中所述二維碳化鈦和ni金屬粉末的質(zhì)量比為1:1～10；

7.如權(quán)利要求1所述的一種常壓下催化合成金剛石納米片的方法，其特征在于，步驟(2)中所述通入氬氣的條件為：流速300～600ml/min，時(shí)間10～30min；

8.如權(quán)利要求1所述的一種常壓下催化合成金剛石納米片的方法，其特征在于，步驟(3)中所述升溫并保持的條件為：升溫速率10℃/min，升溫至475～525℃，保持15～20h。

9.如權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的方法在常壓下催化合成金剛石納米片中的應(yīng)用。

10.一種金剛石納米片，其特征在于，通過(guò)如權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的方法合成獲得。

技術(shù)總結(jié)
一種常壓下催化合成金剛石納米片的方法及其應(yīng)用，屬于新型碳材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明方法包括以下步驟：(1)稱取二維碳化鈦和Ni金屬粉末，混合均勻后預(yù)壓成型，再壓實(shí)，獲得二維的TiC/Ni壓實(shí)體；(2)將二維的TiC/Ni壓實(shí)體置于管式爐中，通入氬氣，加熱，關(guān)閉氬氣通入氯氣進(jìn)行蝕刻反應(yīng)，停止通入氯氣的同時(shí)通入氬氣，冷卻至室溫，獲得具有金剛石納米片的碳材料；(3)取具有金剛石納米片的碳材料，在空氣氣氛下，升溫并保持進(jìn)行氧化，獲得提純后的金剛石納米片。本發(fā)明方法具有合成工藝簡(jiǎn)單，成本低，在常壓下即可實(shí)現(xiàn)金剛石納米片的制備的優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)研發(fā)人員：張瑞軍,張昭
受保護(hù)的技術(shù)使用者：燕山大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19