美国怀俄明大学Bingjun Zhang和Lin Jiang课题组--石油沥青在CuO纳米颗粒上的低温石墨烯生长和收缩动力学
本研究研究了在低温条件下由金属氧化物纳米颗粒催化的石墨烯合成。选择石油沥青质作为碳源，而不是使用高纯度前体。通过混合、加热和分离程序制备沥青质涂层纳米粒子（CuO、Fe2O3和Al2O3），然后将其置于真空炉内进行石墨烯合成。CuO被确定为生成几个微米级石墨烯片的有效催化剂，而其他两种纳米粒子未能催化反应。石墨烯通过拉曼和傅立叶变换红外光谱以及扫描和透射电子显微镜进行表征。随后进行了原位显微镜实验以直接观察 CuO上石墨烯的生长和收缩动力学。石墨烯生长动态的实时监测表明，石墨烯生长所需的反应温度和时间都远低于传统化学气相沉积方法。CuO 纳米粒子在低温（450℃）下作为石墨烯合成的基底，并在更高的温度（800℃）下作为氧化剂，消耗新合成的片材。对石墨烯成核、沥青质热解以及碳骨架的运动和运输进行了综合分析，以解释数据。
图 1. 实验装置和反应步骤：(a) 在450℃真空炉中用于石墨烯合成的实验装置示意图。 (b) 在TEM显微镜下石墨烯原位生长和收缩过程中随时间的温度控制。
图2 不同阶段材料的FTIR和拉曼光谱：（a）沥青质包覆Fe2O3、CuO和Al2O3纳米颗粒反应前的拉曼光谱；（b）沥青质包覆Fe2O3、CuO和Al2O3纳米颗粒反应后的拉曼光谱 , (c) 沥青质包覆的CuO纳米颗粒反应前后的FTIR光谱对比，以及 (d)产物纯化前后的拉曼光谱对比。
图 3. 沥青质包覆的 CuO 纳米颗粒的 SEM 图像：（a）反应前和（b）反应后。
图4. 反应物和产物的TEM显微照片:(a)沥青质包覆的CuO纳米颗粒。(b- d)不同尺度的产物石墨烯层。(a)和(b)中的插图分别显示了沥青质和石墨烯层的元素组成。
图5. 石墨烯的TEM显微照片:(a)六边形石墨烯层的显微照片，(b)石墨烯的快速傅立叶变换图像。(c，d)在不同位置观察到的晶格条纹。
图6. 不同时间步长(0-5.5s)下纳米氧化铜上石墨烯的生长行为。
图7.石墨烯片在不同时间步长(从0--14s)的收缩。
图8. 石墨烯生长和收缩动力学: (a)石墨烯在450℃生长。(b)石墨烯在800℃收缩。插图显示了生长或收缩的方向。
图9 .石墨烯的生长和收缩机制:(a)沥青质热解和石墨烯在CuO表面的合成，(b)CuO纳米颗粒上的石墨烯层与捕获的CO2气体。(c)石墨烯层的收缩。CuO纳米粒子由蓝色球体表示。根据键的类型，碳原子由不同灰度等级的球体表示。氧原子用红色标出，而氢原子用绿色标出。(b)中的CO2分子由围绕分子的透明绿色球体表示。
相关科研成果由美国怀俄明大学Bingjun Zhang和Lin Jiang等人于2021发表在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。