一种以废弃油为原料的无外加气体碳源的垂直取向石墨烯的制备方法及其产品技术

本发明专利技术公开了一种以废弃油为原料的无外加气体碳源的垂直取向石墨烯的制备方法及其产品。制备方法包括步骤：(1)对基底材料进行处理；(2)将废弃油和步骤(1)得到的基底材料放入等离子体增强化学气相沉积反应腔内，对腔体进行加热以及抽真空处理，加热温度为500～700℃，等离子体源为电感耦合等离子体；(3)通入氩气，经过等离子体增强化学气相沉积反应后得到垂直石取向石墨烯；(4)对垂直取向石墨烯进行冷却降温，得到垂直取向石墨烯材料。得到垂直取向石墨烯材料。得到垂直取向石墨烯材料。

【技术实现步骤摘要】
一种以废弃油为原料的无外加气体碳源的垂直取向石墨烯的制备方法及其产品


[0001]本专利技术涉及石墨烯领域，具体涉及一种以废弃油为原料的无外加气体碳源的垂直取向石墨烯的制备方法及其产品。

技术介绍

[0002]垂直石墨烯由于其出色的物理化学性质、独特的取向性以及丰富的边缘结构，在储能、传感器等领域有广阔的开发前景。对于超级电容器而言，电极材料至关重要，是直接影响其储能能力的关键因素。开发低成本、高性能的电极材料对于超级电容储能和商业应用，正成为当前国际的研究热点。
[0003]等离子体增强电化学气相沉积技术作为一种多功能的纳米材料制备工具被广泛地应用在垂直石墨烯的制备中。现有的等离子体增强化学气相沉积法中广泛地应用了甲烷和氢气等易燃易爆的气体作为碳源和辅助气体，这些烃类气体碳源由于其复杂的分离纯化过程，将导致相当高的经济成本和化石燃料的快速消耗，同时其在高温环境下的易爆炸性也可能带来严重安全问题。
[0004]公开号为CN 103121670 A的专利说明书公开了一种远程等离子体增强原子层沉积低温生长石墨烯的方法，其以液态苯作为C源，使用PEALD 设备进行ALD模式的石墨烯生长，以远程等离子体作为PEALD的另外一种源获得低温生长；以铜箔为基底，反应前采用3kW的大功率H2/Ar等离子体对Cu基底表面进行清洗和还原，去除Cu基底表面的污物和氧化层。
[0005]公开号为CN 105887041 A的专利说明书公开了一种采用未清洗的压延金属作为基体材料低成本生长大面积石墨烯的CVD方法。该方法采用未清洗的压延金属作为CVD生长石墨烯的基体材料，利用压延加工后残留在金属表面的油脂作为生长石墨烯的碳源，具体步骤为：(1)采用未清洗的压延金属作为CVD生长石墨烯的基体，其表面残留的油脂作为生长石墨烯的碳源；(2)将上述材料直接放入CVD系统进行生长，在其表面形成大面积石墨烯。

技术实现思路

[0006]针对本领域存在的不足之处，本专利技术提供了一种以废弃油为原料的无外加气体碳源的垂直取向石墨烯的制备方法，无需使用气体碳源，可以显著降低垂直取向石墨烯的制备成本，提高制备的安全系数，实现了垂直取向石墨烯的快速高效经济制备，对大规模生产有指导意义，可应用于超级电容、交流电滤波等领域。
[0007]一种以废弃油为原料的无外加气体碳源的垂直取向石墨烯的制备方法，包括步骤：
[0008](1)对基底材料进行处理；
[0009](2)将废弃油和步骤(1)得到的基底材料放入等离子体增强化学气相沉积反应腔内，对腔体进行加热以及抽真空处理，加热温度为500～700℃，等离子体源为电感耦合等离子体；
[0010](3)通入氩气，经过等离子体增强化学气相沉积反应后得到垂直石取向石墨烯；
[0011](4)对垂直取向石墨烯进行冷却降温，得到垂直取向石墨烯材料。
[0012]作为优选，步骤(1)中，所述基底材料为镍箔，所述处理包括清洗和烘干步骤。
[0013]具体的，可对镍箔先后用去离子水和酒精进行彻底清洗，并放在80℃的烘箱中进行干燥。
[0014]作为优选，步骤(2)中，抽真空至腔体内气压不大于10Pa。
[0015]作为优选，步骤(3)中，氩气通入流量为5mL/min。
[0016]作为优选，电感耦合等离子体的功率为250W。
[0017]作为优选，步骤(3)中，反应时间为30～45min。
[0018]反应时间少于30分钟时，反应腔中的废弃油仍有残留，尚未完全反应；反应时间大于45分钟时，反应腔中无多余的废弃油供给，会使得石墨烯材料在氩气等离子体作用下表面结构被破坏。
[0019]作为优选，所述废弃油为废弃食用油。
[0020]废弃油可以放入石英舟中然后将石英舟放入腔体内，用加热器加热废弃油使之气化之后再电感耦合等离子体增强气相沉积至基底材料上。
[0021]垂直取向石墨烯生长的形貌、高度、缺陷含量、元素比例与制备温度有直接关系。随制备温度提高，垂直取向石墨烯的横向尺寸增加、生长高度提高、缺陷丰富程度提高、碳元素含量上升。当制备温度低于500℃时，无法成功得到垂直取向石墨烯。当温度高于700℃时，反应腔高温使得废弃油挥发速度提高，废弃油的利用率降低，制备的垂直取向石墨烯生长高度下降，不利于储能。
[0022]本专利技术的制备过程使用废弃油代替了传统的烃类和氢气作为碳源，有效地的节约能源，提高了制备的经济性和安全性，可应用于超级电容储能、交流电滤波等领域。
[0023]本专利技术还提供了所述的制备方法制备得到的垂直取向石墨烯，由垂直取向的碳纳米壁层结构交错连接，网状结构具有贯穿的通道。
[0024]本专利技术的垂直取向石墨烯材料微观结构呈致密整齐的迷宫状形貌，相邻的石墨烯纳米片相互交错连接，表现出一种具有开放通道和大量反应边缘的网状结构。所述的垂直取向石墨烯表面具有大量的边缘结构，有利于电荷的储存与输运。
[0025]所述垂直取向石墨烯电极材料面积比电容为0.9
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4.1mF/cm2。优选的，所述垂直取向石墨烯面积比电容为3.2
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4.1mF/cm2。
[0026]本专利技术与现有技术相比，主要优点包括：
[0027]本专利技术提供的垂直取向石墨烯材料具有更好的取向性，互相交错连接的网状结构提高了材料的机械稳定性，丰富的边缘结构有利于电荷的聚集效应，提高了材料的储能性能。废弃油中微量的氮元素实现了氮元素掺杂，使得材料的储能性能有所提高。
[0028]本专利技术提供的垂直取向石墨烯材料的制备方法，使用了氩气等离子体氛围，而非传统方法采用的甲烷、乙炔等碳源和氢气辅助气体，显著提高的制备过程的安全性，并有效降低了材料的制备成本，实现了垂直取向石墨烯的绿色、安全、经济制备，有利于垂直取向石墨烯的大规模生产，可以用于超级电容储能、交流电滤波等领域中。
附图说明
[0029]图1为本专利技术实施例提供的垂直取向石墨烯材料的扫描电镜照片；
[0030]图2为本专利技术实施例提供的垂直取向石墨烯材料的拉曼测试图谱；
[0031]图3、图4为本专利技术实施例提供的垂直取向石墨烯材料的XPS测试图谱。
具体实施方式
[0032]下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
[0033]本专利技术对提供的垂直取向石墨烯进行如下测试。
[0034]1、缺陷程度：
[0035]拉曼光谱仪，型号为Horiba Jobin Yvon，表征垂直取向石墨烯材料的缺陷程度以及多层结构。测量时将发射激光波长为532nm对准不同区域进行测试，测试范围是800～3200nm。
[0036]2、表面官能团种类：
[0037]型号为ESCALAB MARK II。利用X
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种以废弃油为原料的无外加气体碳源的垂直取向石墨烯的制备方法，其特征在于，包括步骤：(1)对基底材料进行处理；(2)将废弃油和步骤(1)得到的基底材料放入等离子体增强化学气相沉积反应腔内，对腔体进行加热以及抽真空处理，加热温度为500～700℃，等离子体源为电感耦合等离子体；(3)通入氩气，经过等离子体增强化学气相沉积反应后得到垂直石取向石墨烯；(4)对垂直取向石墨烯进行冷却降温，得到垂直取向石墨烯材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述基底材料为镍箔，对镍箔先后用去离子水和酒精进行彻底清洗，并放在80℃的烘箱中进行干燥。3.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：严贵舒，李梓瑞，况文豪，李宇晨，杨化超，薄拯，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：