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一种自组装石墨烯原位生长纳米棒阵列复合膜及其制备方法[发明专利].docxVIP

一种自组装石墨烯原位生长纳米棒阵列复合膜及其制备方法[发明专利].docx

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一种自组装石墨烯原位生长纳米棒阵列复合膜及其制备方法[发明专利]

一、背景技术

(1)近年来,随着纳米技术的快速发展,石墨烯作为一种新型二维材料,因其独特的物理化学性质,如高导电性、高强度、高比表面积等,在电子、能源、催化等领域展现出巨大的应用潜力。然而,传统的石墨烯制备方法往往存在成本高、效率低、纯度低等问题,限制了其大规模应用。因此,探索一种高效、低成本、高纯度的石墨烯制备技术成为当前研究的热点。

(2)纳米棒作为一种一维纳米材料,具有优异的物理化学性能,如高比表面积、良好的导电性和热导性等。纳米棒阵列由于其独特的结构,在电子器件、传感器、催化剂等领域具有广泛的应用前景。目前,纳米棒阵列的制备方法主要包括模板法、化学气相沉积法等,但这些方法往往需要复杂的设备和高昂的成本,且难以实现大规模制备。

(3)复合膜作为一种新型多功能材料,由两种或两种以上的材料复合而成,具有单一材料所不具备的性能。在石墨烯和纳米棒的研究中,复合膜的研究成为了一个新的研究方向。例如,石墨烯/纳米棒复合膜在锂离子电池、超级电容器等领域表现出优异的电化学性能。然而,现有的复合膜制备方法存在界面结合不牢固、制备工艺复杂等问题,限制了其性能的发挥。

(4)为了克服现有技术的不足,近年来,研究者们开始探索一种新的自组装石墨烯原位生长纳米棒阵列复合膜的制备方法。该方法利用石墨烯与纳米棒的相互作用,通过简单的溶液处理即可实现复合膜的制备,具有操作简便、成本低廉、性能优异等优点。

(5)此外,相关研究表明,自组装石墨烯原位生长纳米棒阵列复合膜在电子器件、能源存储、催化等领域具有潜在的应用价值。例如,通过优化石墨烯与纳米棒的组成比例和结构,可以显著提高复合膜的电导率和比电容,使其在锂离子电池和超级电容器等领域的应用更加广泛。因此,深入研究自组装石墨烯原位生长纳米棒阵列复合膜的制备方法及其性能,对于推动相关领域的技术进步具有重要意义。

二、发明内容

(1)本发明提供了一种自组装石墨烯原位生长纳米棒阵列复合膜的制备方法,该方法通过在特定溶剂中,利用石墨烯与纳米棒的相互作用,实现复合膜的自动组装。首先,将石墨烯和纳米棒的前驱体溶液混合,通过溶液中的化学反应,使得石墨烯与纳米棒前驱体发生原位生长反应,形成纳米棒阵列。随后,将混合溶液滴加到基底上,利用溶剂挥发和毛细作用,使石墨烯和纳米棒阵列自组装成复合膜。

(2)该发明中,石墨烯的制备采用了一种改进的化学气相沉积法,通过优化生长条件,如温度、压力、反应气体流量等,实现了高质量石墨烯的生长。纳米棒的制备则采用了一种水热法,通过控制反应温度、时间和溶液成分,使得纳米棒生长均匀,且具有良好的结晶度。在复合膜的制备过程中,通过调节石墨烯和纳米棒前驱体的比例,可以控制复合膜的结构和性能。

(3)本发明具有以下创新点:首先,该方法实现了石墨烯与纳米棒的直接原位生长,避免了传统复合膜制备过程中可能出现的界面问题,提高了复合膜的稳定性和性能。其次,该制备方法操作简便,无需复杂的设备和高昂的成本,适合大规模生产。最后,通过优化石墨烯和纳米棒的组成比例和结构,可以显著提高复合膜的电导率、比电容、机械强度等性能,使其在电子器件、能源存储、催化等领域具有广泛的应用前景。例如,在锂离子电池中,该复合膜可以作为电极材料,提高电池的能量密度和循环寿命;在超级电容器中,可以作为电极材料,提高电容器的功率密度和储能能力。

三、实施方式

(1)实施本发明的方法包括以下步骤:首先,准备石墨烯和纳米棒的前驱体溶液。石墨烯前驱体通常选用氧化石墨烯,通过Hummers法制备,纳米棒前驱体则选用金属盐类,如CuSO4或AgNO3。将氧化石墨烯和金属盐类分别溶解在去离子水中,得到浓度约为0.1mg/mL的溶液。

(2)将石墨烯和纳米棒的前驱体溶液按照一定比例混合,例如石墨烯与纳米棒前驱体的比例为1:1,混合均匀。随后,将混合溶液滴加到预先处理过的基底上,基底材料可以选择玻璃、硅等导电材料。滴加后,将基底放置在恒温恒湿的环境中,使溶剂自然挥发,同时保持一定的温度和湿度,以促进纳米棒阵列的生长。

(3)在溶剂挥发过程中,石墨烯与纳米棒前驱体发生原位生长反应,形成纳米棒阵列。反应完成后,将基底取出,放入烘箱中干燥,去除残留的溶剂和水分。干燥后的复合膜经过洗涤、超声处理等步骤,去除未反应的石墨烯和纳米棒前驱体,得到纯净的自组装石墨烯原位生长纳米棒阵列复合膜。最后,通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等手段对复合膜的结构进行表征,并通过电化学测试等方法评估其性能。通过调整反应条件,如温度、湿度、溶液浓度等,可以实现对复合膜结构和性能的精确控制。

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