[發明專利]一種有序氧化石墨烯薄膜的制備方法

有效

• 申請號: 200910073774.6
• 申請日: 2009-02-11
• 公開（公告）號: CN101513998A
• 公開（公告）日: 2009-08-26
• 發明（設計）人: 楊永剛;陳成猛;溫月芳;王茂章
• 申請（專利權）人: 中國科學院山西煤炭化學研究所
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 山西五維專利事務所（有限公司）
• 代理人: 李 毅

技術領域

本發明屬于一種薄膜材料的制備方法，具體地說涉及一種無支撐的有序氧化石墨烯薄膜的制備方法。?

背景技術

石墨烯(Graphene)是單原子厚度的二維碳原子晶體，為目前人工制得的最薄物質，它被認為是富勒烯、碳納米管和石墨的基本結構單元(Geim，A.K.等.自然材料6，183(2007))。自由態的二維晶體結構一直被認為熱力學不穩定，不能在普通環境中獨立存在(Wallace，P.R.物理評論72，258(1947))。直至2004年，曼徹斯特大學Geim等(Novoselov，K.S.等.科學306，666(2004))采用微機械劈裂法從石墨上剝下少量石墨烯單片，實現了其在空氣中的無支撐懸浮，才將這一量子相對論的“概念”材料轉化為現實。研究發現，石墨烯具有特殊的電磁特性，例如，高電子遷移率(室溫下σ_h＞15,000cm²V?^-1s^-1)(Geim，A.K.等.自然材料6，183(2007))，不會消失的導電率(4e²/h)，反常的量子霍爾效應，小的自旋軌道交互作用等；石墨烯具有極高的力學性能，并已被證實為目前世界上強度最大的物質(拉伸模量E≈1.01TPa和極限強度σ≈130GPa)(Lee，C.等.科學321，385(2008)；另外，石墨烯還具有高熱導率((4.84±0.44)×10³～(5.30±0.48)×10³Wm^-1K^-1)(Balandin，A.A.等.納米快報8，902(2008))和大比表面積(2630m²/g)(Stoller，M.D.等.納米快報8，3498(2008))等優點。依托特殊的二維結構、高電/熱導率、開關效應及低噪聲等優點，石墨烯可廣泛應用于單分子探測器、集成電路、場效應晶體管等量子器件，石墨烯已被預言有可能成為替代硅的新興半導體材料。?

目前，自由態石墨烯的制備方法主要有微機械劈裂法(Novoselov，K.S.等.科學306，666(2004))、外延生長法(Berger，C.等.科學312，1191(2006))和機械剝離氧化石墨法(Stankovich，S.等.炭素45，1558(2007))。其中，前兩種方法由于成本高、可控性差，不適于石墨烯的大量制備，從而限制了石墨烯的規?；瘧谩６谌N方法通過對層狀氧化石墨進行簡單的超聲處理或熱膨脹剝離，可制?得大量氧化石墨烯溶膠或功能化石墨烯片。其原料氧化石墨(Graphite?Oxide，GO)作為一種傳統化工材料，制備工藝十分成熟，目前已發展出Brodie法、Staudenmaier法、Hummers法(Hummers，W.等.美國化學會志80，1339(1958))及電化學氧化法等(Peckett，J.W.等.炭素38，345(2000)；Hudson，M.J.等.材料化學7，301(1997))。?

一般認為，氧化石墨為準二維層狀結構，氧化過程中，石墨烯片層鍵接了大量的羥基、羧基及環氧基等(Szabo，T.等.炭素44，537(2006))。由于這些官能團及層間水的支撐作用，原始石墨的晶格參數由0.335nm膨脹至氧化石墨的0.6～1.1nm(Lerf，A.等.固體物理化學67，1106(2006))，更利于實現氧化石墨烯的單片剝離及連續化制備；同時，官能團還賦予氧化石墨烯片優良的化學活性和浸潤性能，并使其表面帶上負電，能夠在水中(或堿水中)形成納米級分散，從而為氧化石墨烯的復合應用或納米有序組裝奠定良好的基礎。?

2007年，美國西北大學Dikin(Dikin，D.A.等.自然448，457(2007))等通過真空微濾氧化石墨膠狀懸浮液，實現了氧化石墨烯片瓦片式的定向流動組裝，制成了高強、高模、輕質、厚度在5～30μm可控的韌性無支撐氧化石墨烯紙。這種新型薄膜材料既可以用作燃料電池的電解質或儲氫材料、超級電容器和電池的電極、超薄型化學過濾器，也可以與聚合物或金屬混合生產新的材料，用于飛機機身、汽車和建筑物等。但是，由于薄膜組裝采用微濾方法，周期較長(依據所制紙厚度不同，從6～48h不等)，且所得薄膜面積受濾膜尺寸限制難以調控，因而大大限制了其規?；苽浼皯?。?

本發明的目的是克服已有技術中的缺點和不足，提供一種薄膜組裝周期短，面積可控的無支撐氧化石墨烯薄膜的制備方法。?

本發明的制備方法，包括以下步驟：?