石墨烯-碳納米管-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種石墨稀-碳納米管-石墨稀復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有很多優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。而石墨烯作為一種只有單原子層厚度的二維碳納米材料，具有極高的載流子迀移率，良好的透光性和導(dǎo)電性，較好的半導(dǎo)體性，以及高的比表面積，在納米電子器件，電極材料等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著研究的深入，關(guān)于石墨烯與碳納米管復(fù)合材料的研究逐漸浮現(xiàn)出來(lái)，目的能夠發(fā)揮石墨烯和碳納米管的各自優(yōu)點(diǎn)，使兩者的性能最大化。但現(xiàn)有技術(shù)往往是通過提供一個(gè)基底，基底上有一層石墨烯，再在石墨烯上面復(fù)合一層碳納米管薄膜，除去基底，得到石墨烯/碳納米管復(fù)合膜。此方法制備出的復(fù)合膜，碳納米管薄膜暴露，容易被破壞，可操作性有限；石墨烯與碳納米管之間屬于簡(jiǎn)單的接觸，接觸面積有限，復(fù)合質(zhì)量差，導(dǎo)致復(fù)合膜的力學(xué)性能、導(dǎo)電性受到很大的影響。而且作為一種儲(chǔ)能材料，最重要的參數(shù)就是比表面積，石墨烯是現(xiàn)如今被報(bào)道的比表面積最大的材料，可是由于是單原子的平面結(jié)構(gòu)，實(shí)際可用的比表面積其實(shí)很小。所以如果能把石墨烯與石墨烯的片層支撐開，這樣可用的比表面積就會(huì)增加很多，所以本發(fā)明提供一種方法制備出石墨烯碳納米管的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種石墨烯-碳納米管-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，
本發(fā)明的目的還在于提供一種石墨烯-碳納米管-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0004]為解決上述一發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種石墨烯-碳納米管-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，該方法包括以下步驟:
制備一基底:
將一自支撐的碳納米管膜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至一金屬箔表面，在所述自支撐的碳納米管膜結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離所述金屬箔的一表面覆蓋一金屬層；
在所述基底上生長(zhǎng)石墨烯，形成基底和石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)；
刻蝕處理所述基底和石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)，去除所述金屬箔和金屬層，得到所述石墨烯-碳納米管-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0005]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述自支撐的碳納米管膜結(jié)構(gòu)為至少兩層正交或其他不同方向交織的網(wǎng)絡(luò)狀可紡絲高取向碳納米管薄膜。
[0006]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述可紡絲高取向碳納米管薄膜通過可紡絲碳納米管陣列拉膜制備。
[0007]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，“將一自支撐的碳納米管膜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至金屬箔表面”步驟具體為:在所述金屬箔上拉上至少兩層正交或其他不同方向交織的可紡絲高取向碳納米管薄膜，用有機(jī)溶劑處理，使所述自支撐的碳納米管膜結(jié)構(gòu)與所述金屬箔形成良好的接觸。
[0008]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，“在所述碳納米管膜結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離所述金屬箔的一表面覆蓋金屬層”步驟具體為:通過物理氣相沉積方法在所述自支撐的碳納米管膜結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離所述金屬箔的一表面蒸鍍一層厚度為50~500nm的金屬層。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述金屬箔和金屬層的材質(zhì)相同，均為銅。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，“形成基底和石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)”步驟具體為:將所述的基底放入管式爐中，抽真空，通入H2,保持低壓環(huán)境，在700°C -1OOO0C的溫度下退火處理1~3小時(shí)。然后再向管式爐中通入碳源氣體，在700°C ~1000°C的溫度下生長(zhǎng)20~40分鐘，以在所述金屬箔和所述金屬層上覆蓋石墨烯，形成基底和石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0011 ] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述碳源氣體為甲烷或乙烯或乙炔。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，““刻蝕處理所述基底和石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)”步驟具體為:將所述基底和石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)放入FeC13溶液中，使所述金屬箔和所述金屬層溶解。
[0013]為實(shí)現(xiàn)上述另一發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種石墨烯-碳納米管-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)，其包括:彼此復(fù)合的自支撐的碳納米管膜結(jié)構(gòu)和石墨烯，其中，所述自支撐的碳納米管膜結(jié)構(gòu)為至少兩層正交或其他不同方向交織的網(wǎng)絡(luò)狀可紡絲高取向碳納米管薄膜構(gòu)成，所述自支撐的碳納米管膜結(jié)構(gòu)具有第一表面以及與所述第一表面相對(duì)的第二表面，所述石墨烯完全覆蓋所述自支撐的碳納米管膜結(jié)構(gòu)的第一表面及第二表面。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用自支撐的碳納米管膜結(jié)構(gòu)和石墨烯彼此復(fù)合形成的石墨烯-碳納米管-石墨烯三明治結(jié)構(gòu)，使得石墨烯-碳納米管-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能都得到提升，同時(shí)也解決了石墨烯-碳納米管-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)在生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移以及后期組裝過程中遇到的復(fù)合結(jié)構(gòu)易被破壞的問題，尤其復(fù)合結(jié)構(gòu)中存在碳納米管的骨架支撐，使得復(fù)合結(jié)構(gòu)中石墨烯的比表面積得到了很大的提升，可以作為很好的能源儲(chǔ)能材料。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明一實(shí)施方式中石墨烯-碳納米管-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2是本發(fā)明一實(shí)施方式中石墨烯-碳納米管-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法步驟流程圖圖3-圖4是本發(fā)明一實(shí)施方式中石墨烯-碳納米管-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)掃描電鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下將結(jié)合附圖所示的【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。但這些實(shí)施方式并不限制本發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)這些實(shí)施方式所做出的結(jié)構(gòu)、方法、或功能上的變換均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0018]參圖1介紹本發(fā)明的石墨烯-碳納米管-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)200結(jié)構(gòu)的一實(shí)施方式。該結(jié)構(gòu)包括:彼此復(fù)合的自支撐的碳納米管膜結(jié)構(gòu)20和石墨烯40，自支撐的碳納米管膜結(jié)構(gòu)20位于兩層石墨烯40之間，形成三明治結(jié)構(gòu)。
[0019]其中，自支撐的碳納米管膜結(jié)構(gòu)20包括至少兩層正交或其他不同方向交織的可紡絲碳納米管薄膜201和202。通過改變可紡絲碳納米管薄膜的層數(shù)可以精確控制碳納米管薄膜的厚度，因此可以在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)薄膜的力學(xué)強(qiáng)度的調(diào)整。另，碳納米管為平行排列，可以通過改變各層碳納米管的排列方向得到具有各項(xiàng)異性力學(xué)性能的石墨烯-碳納米管-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)200。
[0020]自支撐的碳納米管膜結(jié)構(gòu)20具有第一表面(圖未示)以及與第一表面相對(duì)的第二表面(圖未示)，石墨烯40完全覆蓋自支撐的碳納米管膜結(jié)構(gòu)20的第一表面及第二表面。優(yōu)選地，石墨烯40的厚度及層數(shù)為可調(diào)的。
[0021]配合參照?qǐng)D2，介紹本發(fā)明石墨烯-碳納米管-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)200制備方法的一【具體實(shí)施方式】，該方法具體包括以下步驟:
S1、制備一基底100。將一自支撐的碳納米管膜結(jié)構(gòu)20轉(zhuǎn)移至金屬箔10表面，在碳納米管膜結(jié)構(gòu)20遠(yuǎn)離金屬箔10的一表面覆蓋金屬層30，形成基底100。即基底100為碳納米管膜結(jié)構(gòu)20位于金屬箔10和金屬層30之間的三明治夾心結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，金屬箔10和金屬層30的材質(zhì)相同，均為銅。當(dāng)然，在本發(fā)明的其他實(shí)施方式中，金屬箔10和金屬層30的材質(zhì)也可以不同，例如:金屬箔10和金屬層30的材質(zhì)分別為銅和鎳。
[0022]具體地，在所述金屬箔10上拉上至少兩層正交或其他不同方向交織的可紡絲高取向碳納米管薄膜201和202，用有機(jī)溶劑處理，使自支撐的碳納米管膜結(jié)構(gòu)20與金屬箔10形成良好的接觸。優(yōu)選地，有機(jī)溶劑為乙醇，起到致密化碳納米管薄膜的作用，可紡絲高取向碳納米管薄膜通過可紡絲碳納米管陣列拉膜制備。再通過物理氣相沉積方法在自支撐的碳納米管膜結(jié)構(gòu)20遠(yuǎn)離金屬箔10的表面蒸鍍一層厚度為50~500nm的金屬層30。
[0023]S2、在基底100上生長(zhǎng)石墨烯40，形成基底和石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)。將基底100放入管式爐(圖未示)中，抽真空，通入H2，保持低壓環(huán)境，在700°C~1000°C的溫度下退火處理1~3小時(shí)。然后再向管式爐(圖未示)中通入碳源氣體，在700°C ~1000°C的溫度下生長(zhǎng)20~40分鐘，以在金屬箔10和金屬層30上同時(shí)覆蓋石墨稀，形成基底和石墨稀復(fù)合結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，碳源氣體為甲烷或乙烯或乙炔。
[0024]S3、刻蝕處理基底和石墨稀的復(fù)合結(jié)構(gòu)，去除所述金屬箔和金屬層，得到所述石墨烯-碳納米管-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)。將所述基底和石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)放入FeCl3溶液中，使所述金屬箔和所述金屬層溶解，得到三明治結(jié)構(gòu)的石墨烯-碳納米管-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)200，碳納米管膜結(jié)構(gòu)20位于兩層石墨烯40之間。石墨烯40