Al2O3擔(dān)載Fe化學(xué)氣相沉積法合成石墨烯

　　Al2O3擔(dān)載Fe作催化劑化學(xué)氣相沉積法400℃下催化裂解乙炔進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)氣氛分別為氫氣和氬氣，產(chǎn)物通過(guò)60℃下36%的濃鹽酸中回流進(jìn)行提純.樣品通過(guò)掃描電子顯微鏡和高分辨透射電子顯微鏡進(jìn)行了表征。結(jié)果表明：當(dāng)反應(yīng)氣氛為氫氣時(shí)可以一次性制備均勻性很好的薄膜，其厚度約為3～15nm，層數(shù)約8～20層，薄膜之間相互交連在一起，表面有很多褶皺，為典型的石墨烯納米片的結(jié)構(gòu);當(dāng)反應(yīng)氣氛為氬氣時(shí)，石墨烯納米片則變成了副產(chǎn)物。

　　石墨烯納米片自2004年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，由于其具有大的長(zhǎng)徑比，高強(qiáng)度、高韌性、良好的穩(wěn)定性和導(dǎo)電性等優(yōu)點(diǎn)，引起了許多研究者的興趣.石墨烯納米片具有豐富的邊緣，使其具有極大的潛在應(yīng)用價(jià)值，而實(shí)現(xiàn)大量、可控、可重復(fù)性制備是應(yīng)用的前提，目前有關(guān)石墨烯納米片的制備比較常用的方法是氧化石墨還原法，但很難大量生產(chǎn).近來(lái)也有研究小組利用不同方法制備出了這種材料，與碳納米管不同的是，碳納米片的制備并不需要金屬催化劑就可以在獨(dú)立的多種基片上生長(zhǎng)，但很難實(shí)現(xiàn)大量制備.化學(xué)氣相沉積方法(CVD)制備材料時(shí)生長(zhǎng)速率適當(dāng)，可以在不同基底上沉積制備樣品，并且沉積溫度較低，還可以和現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝相結(jié)合，因此成為碳納米材料的備中最重要和最有前途的方法.

　　Fe，Co，Ni是常用的適合碳納米管生長(zhǎng)的催化劑，這是由于碳原子在過(guò)渡族金屬中的溶解度與溫度有關(guān)，那么它們對(duì)石墨烯納米片的生長(zhǎng)是否會(huì)有影響，本實(shí)驗(yàn)擬以Al2O3擔(dān)載Fe作催化劑制備碳納米材料，研究其對(duì)碳納米材料形貌影響并簡(jiǎn)單分析其生長(zhǎng)機(jī)制，為石墨烯納米片的低成本制備提供理論基礎(chǔ).

實(shí)驗(yàn)部分

　　催化劑采用浸漬法制備，稱取2.21g Fe(NO3)·9H2O和15.60g氫氧化鋁粉末，將Fe(NO3)·9H2O在20mL去離子水中充分溶解，然后將氫氧化鋁粉末置于溶液中浸泡，充分浸漬后將混合物放入烘箱中于120℃下烘干，最后將所得褐色固體研磨成粉末備用.

　　碳納米材料的合成在臥式反應(yīng)爐中完成.首先將0.2g催化劑粉末均勻平鋪在小瓷舟中，然后將小瓷舟置于內(nèi)徑為30mm的石英管內(nèi)，封閉石英管，以50mL·min-1的流速通入氬氣，使?fàn)t子以10℃·min-1速率開(kāi)始升溫，升溫至400℃時(shí)將催化劑在30mL·min-1氫氣和200mL·min-1氬氣混合氣氛中還原1h，然后關(guān)掉氬氣氣源，并將氫氣的流速調(diào)為100mL·min-1，接著以10mL·min-1的流速引入乙炔，反應(yīng)時(shí)間20min，反應(yīng)完畢后使系統(tǒng)在氬氣氣氛中冷卻.同樣的反應(yīng)條件再將氫氣氣氛換為氬氣氣氛，氬氣的流速為200mL·min-1，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn).產(chǎn)物的提純通過(guò)60℃下于36%的濃鹽酸中回流12h來(lái)完成.通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM，JEOL，JSM-6700F，加速電壓10kV)，高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM，JEM-2010，加速電壓200kV)對(duì)樣品進(jìn)行表征.此外，通過(guò)與掃描電子顯微鏡相連的能譜分析儀(EDS)對(duì)樣品進(jìn)行元素分析.

結(jié)果與討論

　　圖1為純氫氧化鋁和400℃下氫氣氣氛還原1h后催化劑的XRD譜圖，譜線a為純氫氧化鋁的XRD圖譜，譜線b為氫氣還原后催化劑的XRD譜圖，可以看出氫氣還原后催化劑載體的晶形發(fā)生了明顯的變化，對(duì)應(yīng)于Al(OH)3的晶格峰轉(zhuǎn)變成了對(duì)應(yīng)于Al2O3的晶面峰，說(shuō)明在400℃下氫氧化鋁已經(jīng)完全分解生成了Al2O3.此外，圖線b中沒(méi)有對(duì)應(yīng)于Fe相或Fe2O3相的峰出現(xiàn)，表明催化劑粒子已被分散為納米顆粒.圖2為400℃下氫氣氣氛中還原1h后催化劑顆粒的SEM 像，可以看出催化劑粒子已被分散為直徑在20～50nm之間的納米顆粒，并且這些顆粒之間相互團(tuán)聚成了規(guī)整的鏈狀和面狀形貌。

結(jié)論

　　Al2O3擔(dān)載Fe作催化劑通過(guò)CVD法在400℃下催化裂解乙炔制備了納米碳材料，當(dāng)反應(yīng)氣氛為氫氣時(shí)可以一次性制備均勻性很好的大量薄膜，其中所制備的薄膜的厚度約為3～15nm，薄膜之間相互交連在一起，其表面有很多褶皺，為典型的石墨烯納米片的結(jié)構(gòu);當(dāng)反應(yīng)氣氛為為氬氣時(shí)，石墨烯納米片則變成了副產(chǎn)物.該實(shí)驗(yàn)所用方法為化學(xué)氣相沉積法，易于實(shí)現(xiàn)宏量制備，對(duì)石墨烯納米片的大量生產(chǎn)具有重要參考價(jià)值.