[發(fā)明專利]石墨烯三維結(jié)構(gòu)及制備方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010187509.3
• 申請(qǐng)日: 2010-05-28
• 公開（公告）號(hào): CN101837972A
• 公開（公告）日: 2010-09-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃維;馬延文;范曲立;蔣旭;李娟娟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京郵電大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B31/04
• 分類號(hào): C01B31/04
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 葉連生

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及石墨烯三維結(jié)構(gòu)及制備方法。

背景技術(shù)

由單層碳原子構(gòu)成的石墨烯(graphene)，具有一系列優(yōu)異的理化性能，如優(yōu)異的電導(dǎo)、力學(xué)性能、巨大的比表面積等。單層石墨烯可用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管、高頻器件、超級(jí)微處理器和單分子探測(cè)器等。而由石墨烯為基本單元構(gòu)成的三維結(jié)構(gòu)，如薄膜和塊狀材料，有可能應(yīng)用于可控透氣性膜、各向異性離子傳導(dǎo)體、超級(jí)電容器、鋰離子電池、分子存儲(chǔ)、電化學(xué)傳感、燃料電池、能源催化等功能材料領(lǐng)域；或聚合物、陶瓷和金屬等復(fù)合材料領(lǐng)域。

為了實(shí)現(xiàn)石墨烯三維結(jié)構(gòu)的制備，必須具備充足的石墨烯原料。氧化石墨還原法可滿足此要求，此方法還可大量提供氧化石墨烯(graphene?oxide)。氧化石墨烯具有大量的含氧官能團(tuán)和優(yōu)異的分散性，因此具有良好的成膜性。目前，制備氧化石墨烯薄膜主要包括三種方法：一是通過過濾生成氧化石墨烯濾餅，干燥后制得[Dikin，et?al.Nature，2007，448，457.]；二是通過氧化石墨烯溶液中溶劑的蒸發(fā)獲得固體薄膜[Cai，et?al.Adv.Function.Mater.，2008，20，1706]；三是利用氧化石墨烯的官能團(tuán)自組裝，如L-B膜[Li，et?al.Nat.Nanotechnol.，2008，3，538.]。而對(duì)于石墨烯，由于其表面的官能團(tuán)的大幅度去除，使自組裝成膜的工藝難度增加，故較可行的成膜方法為前二者。需要指出的是，氧化石墨稀和石墨烯的成膜的結(jié)合力是不同的，前者主要依靠氫鍵和靜電作用；而后者主要依賴π-π作用并輔以少量的靜電力。氧化石墨烯中的官能團(tuán)，可用于連接離子、高分子和碳納米管等物質(zhì)，因此可以制備出相應(yīng)的復(fù)合型氧化石墨烯膜。而制備相似的復(fù)合型石墨烯膜仍需進(jìn)一步探索。氧化石墨烯的導(dǎo)電能力比石墨烯至少低2個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，在電存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換等應(yīng)用方面，石墨烯膜比氧化石墨烯膜更具優(yōu)勢(shì)。目前針對(duì)石墨烯三維結(jié)構(gòu)的研究報(bào)導(dǎo)仍停留在薄膜形狀這一范圍，塊狀三維結(jié)構(gòu)的制備仍是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究課題。開發(fā)塊狀石墨烯三維結(jié)構(gòu)材料具有重要的理論和實(shí)際意義。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是發(fā)展石墨烯自組裝技術(shù)，制備石墨烯三維結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯三維結(jié)構(gòu)中石墨烯層間距的調(diào)節(jié)；實(shí)現(xiàn)在石墨烯層中填充離子、分子和納米粒子。

技術(shù)方案：本發(fā)明的石墨烯三維結(jié)構(gòu)具體包括以下內(nèi)容：

石墨烯三維結(jié)構(gòu)是以石墨烯為基本單元，在確定的溫度和壓力下，通過金屬離子橋連自組裝而形成；該石墨烯為單層或2-10層結(jié)構(gòu)，石墨烯表面含有羥基、環(huán)氧和羧酸，或其中任意一種或幾種含氧官能團(tuán)，金屬離子與石墨烯的比例在0.1％-100％。

石墨烯三維結(jié)構(gòu)中包含Li⁺、Na⁺、K⁺、Ag⁺、Ca²⁺、Ba²⁺、Mg²⁺、Ni²⁺、Co²⁺、Cu²⁺、Mn²⁺、Cd²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Pt²⁺、Pd²⁺、Rh²⁺、Al³⁺、Fe³⁺、Au³⁺、Ru⁺、Pt⁴⁺金屬離子。

石墨烯三維結(jié)構(gòu)中包含水、甲醇、乙醇、乙二醇及其混合物分子。石墨烯三維結(jié)構(gòu)中可填Ni、Co、Cu、Mn、Fe、Au、Ag、Pt、Ru及其合金納米粒子。石墨烯三維結(jié)構(gòu)中可填充聚吡咯、聚苯胺、聚丙烯酸、聚噻吩、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇聚合物。石墨烯三維結(jié)構(gòu)中可填充蛋白、氨基酸、糖和酶生物分子。

石墨烯三維結(jié)構(gòu)的制備方法包括以下步驟：

1)用Hummers法，Brodie法或Staudenmaier法制備氧化石墨，

2)把氧化石墨置于水、或乙醇、或二者混合溶液中，氧化石墨與溶液的質(zhì)量比為1/100-1/10000，經(jīng)過25min～35min的超聲處理，得到氧化石墨烯溶液，