本研究研究了在低溫條件下由金屬氧化物納米顆粒催化的石墨烯合成。選擇石油瀝青質(zhì)作為碳源，而不是使用高純度前體。通過(guò)混合、加熱和分離程序制備瀝青質(zhì)涂層納米粒子（CuO、Fe
2O
3和Al
2O
3），然后將其置于真空爐內(nèi)進(jìn)行石墨烯合成。CuO被確定為生成幾個(gè)微米級(jí)石墨烯片的有效催化劑，而其他兩種納米粒子未能催化反應(yīng)。石墨烯通過(guò)拉曼和傅立葉變換紅外光譜以及掃描和透射電子顯微鏡進(jìn)行表征。隨后進(jìn)行了原位顯微鏡實(shí)驗(yàn)以直接觀(guān)察 CuO上石墨烯的生長(zhǎng)和收縮動(dòng)力學(xué)。石墨烯生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)表明，石墨烯生長(zhǎng)所需的反應(yīng)溫度和時(shí)間都遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積方法。CuO 納米粒子在低溫（450℃）下作為石墨烯合成的基底，并在更高的溫度（800℃）下作為氧化劑，消耗新合成的片材。對(duì)石墨烯成核、瀝青質(zhì)熱解以及碳骨架的運(yùn)動(dòng)和運(yùn)輸進(jìn)行了綜合分析，以解釋數(shù)據(jù)。
圖 1. 實(shí)驗(yàn)裝置和反應(yīng)步驟：(a) 在450℃真空爐中用于石墨烯合成的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。 (b) 在TEM顯微鏡下石墨烯原位生長(zhǎng)和收縮過(guò)程中隨時(shí)間的溫度控制。
圖2 不同階段材料的FTIR和拉曼光譜：（a）瀝青質(zhì)包覆Fe
2O
3、CuO和Al
2O
3納米顆粒反應(yīng)前的拉曼光譜；（b）瀝青質(zhì)包覆Fe
2O
3、CuO和Al
2O
3納米顆粒反應(yīng)后的拉曼光譜 , (c) 瀝青質(zhì)包覆的CuO納米顆粒反應(yīng)前后的FTIR光譜對(duì)比，以及 (d)產(chǎn)物純化前后的拉曼光譜對(duì)比。
圖 3. 瀝青質(zhì)包覆的 CuO 納米顆粒的 SEM 圖像：（a）反應(yīng)前和（b）反應(yīng)后。
圖4. 反應(yīng)物和產(chǎn)物的TEM顯微照片:(a)瀝青質(zhì)包覆的CuO納米顆粒。(b- d)不同尺度的產(chǎn)物石墨烯層。(a)和(b)中的插圖分別顯示了瀝青質(zhì)和石墨烯層的元素組成。
圖5. 石墨烯的TEM顯微照片:(a)六邊形石墨烯層的顯微照片，(b)石墨烯的快速傅立葉變換圖像。 (c，d)在不同位置觀(guān)察到的晶格條紋。
圖6. 不同時(shí)間步長(zhǎng)(0-5.5s)下納米氧化銅上石墨烯的生長(zhǎng)行為。
圖7.石墨烯片在不同時(shí)間步長(zhǎng)(從0--14s)的收縮。
圖8. 石墨烯生長(zhǎng)和收縮動(dòng)力學(xué): (a)石墨烯在450℃生長(zhǎng)。(b)石墨烯在800℃收縮。插圖顯示了生長(zhǎng)或收縮的方向。
圖9 .石墨烯的生長(zhǎng)和收縮機(jī)制:(a)瀝青質(zhì)熱解和石墨烯在CuO表面的合成，(b)CuO納米顆粒上的石墨烯層與捕獲的CO2氣體。 (c)石墨烯層的收縮。CuO納米粒子由藍(lán)色球體表示。根據(jù)鍵的類(lèi)型，碳原子由不同灰度等級(jí)的球體表示。氧原子用紅色標(biāo)出，而氫原子用綠色標(biāo)出。 (b)中的CO2分子由圍繞分子的透明綠色球體表示。
相關(guān)科研成果由美國(guó)懷俄明大學(xué)Bingjun Zhang和Lin Jiang等人于2021發(fā)表在Industrial & Engineering Chemistry Research（https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c01658）上。原文：Low-Temperature Graphene Growth and Shrinkage Dynamics from Petroleum Asphaltene on CuO Nanoparticle。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》 公眾號(hào)
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