[發明專利]導電石墨烯膜及其自組裝制備方法

在審

• 申請號: 200910069047.2
• 申請日: 2009-05-27
• 公開（公告）號: CN101559944A
• 公開（公告）日: 2009-10-21
• 發明（設計）人: 楊全紅;呂偉;夏章訊;吳思達
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所
• 代理人: 王 麗

技術領域

本發明屬于石墨烯薄膜制備技術，特別涉及一種導電石墨烯膜及其自組裝制備方法。

背景技術

石墨烯是近年發現的二維碳原子晶體，是目前碳質材料和凝聚態物理領域的研究熱點之一。石墨烯是構筑零維富勒烯、一維碳納米管、三維體相石墨等sp2雜化碳的基本結構單元。石墨烯具有很多奇特的性質。石墨烯是一種沒有能隙的物質，顯示金屬性；單層的石墨烯中，每個碳原子都有一個未成鍵的電子，因此具有非常好的導電性；石墨烯中的空穴和電子相互分離，導致了新的電子傳導現象的產生，例如不規則的量子霍爾效應。石墨烯具有非常廣闊的應用前景，它的奇特性質提供了良好的物理實驗平臺，還是制造納米電子器件-高頻晶體管和單電子晶體管的最佳材料，在顯微濾網和超導方面也有很廣闊的應用前景。基于石墨烯片層組裝的石墨烯薄膜是其應用于宏觀場合的重要形態。

現有的氧化石墨烯膜與石墨烯膜的制備方法主要有過濾方法[Dikin?D?A，StankovichS，Zimney?E?J，et?al.Nature?2007，448，457.]、分子模板方法[Wei?Z，Barlow?D?E，Sheehan?P?E.Nano?Lett.2008，8，3141.]、LB成膜方法[Li?X，Zhang?G，Bai?X，et?al.Nat.Nanotech.2008，3，538.]以及化學氣相沉積方法[Kim?KS，Zhao?Y，Jang?H，etal.Nature?2009，457，706.]等。此外，也有研究組直接將氧化石墨烯溶液涂敷在基體上，通過化學還原制備出石墨烯膜，研究這種膜替代ITO作為透明導電膜的可行性[Becerril?H?A，Mao?J，Liu?Z，et?al.ACS?Nano?2008，2，463.]。在這些方法中，過濾方法過程簡單，易于控制，然而獲得的柔性膜往往與基體具有較強的作用，厚度很薄時很難與濾膜分離，很難獲得超薄石墨烯和氧化石墨烯膜；分子模板方法、LB成膜通過對單片石墨烯的自組裝，形成超薄石墨烯片層，難于制備大面積的宏觀薄膜；而化學氣相沉積方法，結構較難有效控制而且成本較高。我們小組和中科院煤化所合作，在前期工作中發明氣液界面自組裝方法，由化學方法獲得的氧化石墨烯水溶膠出發，在氣液界面上自組裝形成無支撐氧化石墨烯薄膜[Chen?C?M，Yang?Q?H，Yang?Y?G，et?al.Adv.Mater.2009，DOI：10.1002/adma.200803726.]。然而，這種方法獲得的氧化石墨烯薄膜需要經過化學還原或者高溫氣相還原才能轉化為石墨烯膜，在還原過程中結構容易破壞，強度容易降低。

發明內容

本發明的目的在于提供一種導電石墨烯膜及其自組裝制備方法。以石墨烯為原料，利用氣液界面成膜法組裝石墨烯膜將克服由氧化石墨烯自組裝成膜后的還原過程所帶來的不利因素。石墨烯不具有親水性，利用分散助劑，對石墨烯粉狀材料進行均勻分散，然后采用氣液界面成膜法制得石墨烯膜。這種石墨烯膜具有良好的導電性及強度，并且厚度可控、形狀可剪裁、尺度可調節，而且成本低、工藝易于放大。

本發明中制備的導電石墨烯膜，其方塊電阻在1-6000Ω/sq范圍內，具有良好的強度，厚度為0.2-100μm，形狀可剪裁、尺度可調節。

上述導電石墨烯膜的自組裝制備方法，技術方案如下：

1.將石墨烯粉狀材料與分散助劑，按照質量比1∶0.5-100比例加入反應器中，然后加入與石墨烯的體積質量比為1-10∶1(mL/mg)的溶劑中，超聲震蕩0.5-10h，超聲功率為20-300W，得到分散良好的石墨烯溶液；

2.將氧化石墨與溶劑以1-30∶1(mg/mL)放入燒杯中，超聲0.5-10h，超聲功率為20-300W，得到分散良好的氧化石墨烯溶液；

3.將分散良好的石墨烯溶液與氧化石墨烯溶液以1∶0-10(體積比)混合均勻，移入5-90℃水浴中，水浴溫度低于溶劑的沸點，在水浴中保持5min-10h，石墨烯在氣液面自組裝形成石墨烯膜，自液面上將其撈出，常溫下干燥得到石墨烯薄膜。

由于石墨烯不具有親水性，但是可以通過加入分散助劑使其在溶液中均勻分散，所以只要能夠分散石墨烯分散助劑都可以在本發明中使用；包括DNA、陰離子、陽離子、兩性及非離子表面活性劑等不一一列舉。

所述的溶劑為水、無水乙醇、丙酮、乙醚或甲胺等沸點較低的溶劑。

上述自組裝形成的石墨烯膜的尺度調節，根據所用容器液面的大小實現；

上述自組裝形成的石墨烯膜的厚度調節，通過控制自組裝時間和石墨烯濃度實現。