類三維泡沫狀多孔碳膜。其中，根據(jù)多孔需 要，多孔碳膜的厚度可以在7〇nm-500nm可控，孔直徑分布在lnm_90nm。
[0042] 本發(fā)明提供一種新型結(jié)構(gòu)的三維泡沫狀多孔碳膜的制備方法是：利用化學(xué)氣相沉 積技術(shù)，以碳?xì)浠衔餅樘荚?，泡沫鎳為基底通過(guò)溫度和氣體流量調(diào)節(jié)控制基底泡沫鎳的 熱處理和碳源裂解，然后控制降溫，最后通過(guò)基底泡沫鎳腐蝕獲得三維泡沫狀多孔碳膜，具 體過(guò)程為：
[0043] 首先將泡沫鎳基底依次在乙酸和乙醇溶液，去離子水中超聲清洗，烘干后放置 于管式爐中央，把管式爐抽成真空后向管式爐中通入惰性氣體氬氣，保持常壓。然后，以 10-50°C每分鐘升溫到550-620°C，同時(shí)通入氫氣，對(duì)泡沫鎳進(jìn)行熱處理，熱處理時(shí)間20-50 分鐘，接著通入碳?xì)浠衔?，該過(guò)程是碳?xì)浠衔锪呀膺^(guò)程。該過(guò)程溫度為生長(zhǎng)溫度，在 550-620°C范圍，生長(zhǎng)溫度保持時(shí)間為5-60分鐘，該過(guò)程中的氣體壓強(qiáng)仍為常壓，然后以 5-30°C每分鐘的降溫速率降溫至室溫，最后取出的泡沫鎳并浸泡在腐蝕液氯化鐵溶液中腐 蝕掉泡沫鎳基底，得到所述碳膜。
[0044] 在生長(zhǎng)前通入氫氣對(duì)泡沫鎳進(jìn)行熱處理，可以清潔泡沫泡沫鎳表面，更有利于泡 沫鎳基底催化碳?xì)浠衔锪呀?。利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)，泡沫鎳可以在相對(duì)較低的溫度下 催化碳?xì)浠衔锪呀獠⑷芴?，控制生長(zhǎng)溫度范圍在550-620°C之間，既滿足了泡沫鎳基底催 化碳?xì)浠衔锪呀獾臏囟纫?，也適應(yīng)了在較低溫下生長(zhǎng)碳膜的需求。控制生長(zhǎng)氣壓為常 壓，生長(zhǎng)時(shí)間在5-60分鐘，可以保證在生長(zhǎng)時(shí)泡沫鎳內(nèi)溶有足夠的碳原子形成碳膜。
[0045] 上述制備技術(shù)方案中，基底是100μL?-ΙΟΟΟμπι厚的泡沫鎳，這個(gè)厚度范圍的泡沫 鎳廣泛應(yīng)用于化學(xué)氣相沉積的催化金屬基底。
[0046] 對(duì)泡沫鎳進(jìn)行超聲清洗處理時(shí)，作為優(yōu)先，采用乙酸和酒精，清洗10-40分鐘。
[0047] 化學(xué)氣相沉積技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，成本低和可控性好的優(yōu)點(diǎn)，因此作為 本發(fā)明制備技術(shù)。
[0048] 本發(fā)明中技術(shù)方案幾個(gè)過(guò)程包括：基底泡沫鎳清洗和升溫?zé)崽幚?、高溫碳源裂解?降溫和最后基底泡沫鎳腐蝕，這幾個(gè)過(guò)程在三維泡沫狀碳膜制備中缺一不可。
[0049] 在上述幾個(gè)過(guò)程中：升溫?zé)崽幚磉^(guò)程中，升溫速度控制在20_50°C每分鐘范圍，生 長(zhǎng)溫度在550-620°C范圍，在生長(zhǎng)溫度時(shí)熱處理時(shí)間在10-50分鐘范圍或者更長(zhǎng)。熱處理過(guò) 程中氫氣流量范圍為5-lOOsccm。高溫碳源裂解過(guò)程中溫度在550-620°C范圍，保持時(shí)間為 20-50分鐘或者更長(zhǎng)。高溫碳源裂解過(guò)程中碳?xì)浠衔锪髁糠秶鸀?-lOOsccm。降溫過(guò)程 中以5-30°C每分鐘速率降溫至室溫。在以上過(guò)程中工作氣壓為常壓?；着菽嚫g過(guò)程 中，腐蝕液可以為氯化鐵水溶液，由于氯化鐵水溶液與泡沫鎳的反應(yīng)較快，且在反應(yīng)過(guò)程中 不會(huì)產(chǎn)生氣體破壞碳膜的結(jié)構(gòu)，所以選取氯化鐵水溶液做腐蝕液。
[0050] 以下結(jié)合附圖以及具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明提供的制備方法進(jìn)一步詳細(xì)描述，需要指出 的是，以下所述實(shí)施例旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。表1-4示出了 本發(fā)明中重要參數(shù)的列表：
[0051] 表1在550°C條件下制備碳膜的實(shí)驗(yàn)參數(shù)
[0052]
[0057] 表4在620°C條件下制備碳膜的實(shí)驗(yàn)參數(shù)
[0058]
[0059] 本實(shí)施例中提供一種新型結(jié)構(gòu)的自支撐類三維泡沫狀多孔碳膜的制備方法，本實(shí) 施例涉及利用化學(xué)氣相沉積在泡沫結(jié)構(gòu)的過(guò)渡金屬基底上以碳?xì)浠衔餅樘荚粗苽渚哂?大面積自支撐類三維泡沫狀多孔碳膜?；瘜W(xué)氣相沉積設(shè)備如圖1，實(shí)施流程圖如圖2,現(xiàn)以 實(shí)施例3為例詳述如下：
[0060] (1)以500微米泡沫鎳為基底，將泡沫鎳基底在乙酸和乙醇溶液中超聲清洗10分 鐘，吹干后置于管式爐石英管中部（圖1)，抽真空至本底真空（低于l〇-3Torr)。
[0061] (2)向石英管中通入流量為IOOsccm的氬氣，直到氣壓穩(wěn)定為常壓，升溫速度為 20°C每分鐘。溫度達(dá)到600°C后關(guān)閉氬氣，同時(shí)通入流量為80sccm的氫氣。
[0062] (3)在溫度為600°C、流量為SOsccm的氫氣條件下對(duì)泡沫鎳進(jìn)行熱處理，處理時(shí)間 為10分鐘。
[0063] (4)向石英管中通入流量為Ssccm的甲烷氣體，并減少氫氣流量至SOsccm，氣壓保 持為常壓，開(kāi)始甲烷裂解過(guò)程，該過(guò)程時(shí)間為25分鐘。
[0064] (5)以KTC每分鐘速度降溫至450°C，打開(kāi)管式爐爐蓋，使溫度降至室溫，在降溫 過(guò)程中甲烷和氫氣流量以及氣壓不變。
[0065] (6)把取出的泡沫鎳浸泡在用去離子水配置的氯化鐵溶液中腐蝕，形成自支撐類 三維泡沫狀多孔碳膜（如圖3-6)。
[0066] 圖3示出了所制備碳膜的拉曼光譜圖，從D峰和G峰可以顯示所制備的碳膜為非 晶的結(jié)構(gòu)。
[0067] 圖4示出了實(shí)施例3所制備的樣品在單晶硅片上的X射線衍射圖，a: 600°C下制備 的樣品在腐蝕前的X射線衍射圖；b :600°C下制備的樣品在腐蝕后的X射線衍射圖；由X射 線衍射可以看出，該碳膜為非晶的碳膜。
[0068] 圖5示出了實(shí)施例3未腐蝕的含碳泡沫鎳與所制備的碳膜的在不同放大倍數(shù)的掃 描電鏡形貌圖，a，b，c圖是未腐蝕的含碳泡沫鎳在分別在比例尺為100m，30m，5m下的掃描 電鏡形貌圖，d，e，f圖是所制備的碳膜的在分別在比例尺為100m，30m，200nm下的掃描電鏡 形貌。從圖中可以看出該碳膜有多孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，且孔直徑分布在lnm-90nm。
[0069] 圖6示出了實(shí)施例3所制備的碳膜的光學(xué)照片，照片顯示該碳膜面積大于，而且平 整，可以自支撐，方便轉(zhuǎn)移到任意基片上。
[0070] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種自支撐類三維泡沫狀多孔碳膜的制備方法，其特征在于，包括下述步驟： 51 :將泡沫鎳超聲清洗干凈，并干燥后放入管式爐中； 52 :向所述管式爐中通入惰性氣體并保持泡沫鎳處于常壓惰性環(huán)境中； 53 :對(duì)所述管式爐的工作區(qū)間進(jìn)行升溫使其達(dá)到550°C _620°C，再向所述管式爐中通 入5sccm-100sccm的氫氣，對(duì)所述泡沫鎳進(jìn)行550°C _620°C高溫處理20分鐘~50分鐘； 54 :向所述管式爐中通入5sccm-100sccm碳?xì)浠衔?，使得泡沫鎳催化碳?xì)浠衔锪?解后生成碳原子并溶入泡沫鎳中形成含碳泡沫鎳； 55 :對(duì)所述管式爐進(jìn)行降溫處理后獲得含碳泡沫鎳； 56 :將含碳泡沫鎳浸泡在腐蝕液中，待含碳泡沫鎳中的鎳原子被腐蝕完后獲得自支撐 類三維泡沫狀多孔碳膜。2. 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，在步驟S4中，生長(zhǎng)溫度為 550°C -620°C，生長(zhǎng)時(shí)間為5分鐘~60分鐘，生長(zhǎng)氣壓為常壓。3. 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所用基底為泡沫鎳，所述泡沫鎳的厚度 為 100 ym-1000 ym〇4. 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，在步驟S5中，所述腐蝕液為氯化鐵水溶 液，稀鹽酸溶液，稀硫酸溶液和稀硝酸溶液中至少一種。5. 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，在步驟S2中，所述惰性氣體為氬氣或氦 氣中至少一種或兩種氣體混合。6. 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述碳?xì)浠衔餅榧谉⒁彝?、丙烷、?燒、己燒、戊燒、庚燒、辛燒、壬燒、癸燒、丙稀、乙稀、丁稀、戊稀、乙炔中任意一種或任意多種 的組合。7. 如權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，所述自支撐類三維泡沫狀多孔碳膜 的厚度為7〇nm-500nm，孔直徑為lnm-90nm〇
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種制備自支撐類三維泡沫狀多孔碳膜的方法，包括步驟S1將泡沫鎳超聲清洗干凈，干燥后放入管式爐中；S2向管式爐中通入惰性氣體并保持泡沫鎳處于常壓惰性環(huán)境中；S3升高管式爐工作區(qū)間溫度使其達(dá)到550℃-620℃，再向管式爐中通入氫氣，并對(duì)泡沫鎳進(jìn)行處理；S4向管式爐中通入碳?xì)浠衔?，使得泡沫鎳催化碳?xì)浠衔锪呀夂螽a(chǎn)生碳原子并溶入泡沫鎳中形成含碳泡沫鎳；S5對(duì)管式爐進(jìn)行降溫處理，冷卻后取出含碳泡沫鎳；S6將含碳泡沫鎳浸泡在腐蝕液中，待含碳泡沫鎳中的鎳原子被腐蝕后即可獲得自支撐類三維泡沫狀多孔碳膜。采用本發(fā)明制備方法對(duì)工作氛圍溫度要求不高，制備得到的自支撐類三維泡沫狀多孔碳膜具有多孔結(jié)構(gòu)和自支撐特點(diǎn)，并可以很方便轉(zhuǎn)移至任何基底。
【IPC分類】C01B31/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105060278
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510557716
【發(fā)明人】魏合林, 岳陽(yáng), 袁利利, 劉雨昊, 胡明雷
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月18日
【申請(qǐng)日】2015年9月2日