[發明專利]氧化石墨烯膜、石墨烯膜及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201210034061.0
• 申請日: 2012-02-15
• 公開（公告）號: CN103253653A
• 公開（公告）日: 2013-08-21
• 發明（設計）人: 韓寶航;王濤;周鼎;承倩怡;崔義
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 郭廣迅

技術領域

本發明涉及氧化石墨烯膜和石墨烯膜的制備方法，具體涉及一種采用了Langmuir-Blodgett組裝方法制備氧化石墨烯膜和石墨烯膜的制備方法，和按照該制備方法制得的氧化石墨烯膜和石墨烯膜，以及所述石墨烯膜的應用。

背景技術

自2004年Geim等人通過微機械剝離法獲得了單層石墨烯以來，這種已知的最薄碳材料就成為了其家族中的“明星分子”。其穩定的二維晶格結構、超強的力學性能、優異的導電性和負載能力吸引了科學界的廣泛關注和研究，被認為在微納電子器件、能量儲存、高強度材料等領域有著廣泛的應用前景；尤其是其在微納電子器件領域，有望成為新一代的核心材料。

為了將應用前景轉化為現實成果，人們不斷探索石墨烯的制備與加工方法。目前常用的方法主要可分為物理法和化學法兩大類，以微機械剝離法為代表的物理方法在制備完整晶格的石墨烯方面具有優勢，卻因效率低下無法實現工業化生產?；瘜W方法制備石墨烯尤以氧化還原法為主，通過制備氧化石墨烯可對其進行溶液加工，再經還原得到石墨烯材料，但由于石墨烯表面電位較低，表面斥力減小，容易產生不可逆團聚，影響石墨烯的保存和使用。而在器件的應用中，薄膜的應用范圍較廣，因此，有必要探索一種更加簡單易行的氧化石墨烯膜和石墨烯膜的制備方法。

Langmuir-Blodgett膜(簡稱LB膜)是一種超薄的有機薄膜，其單層厚度只有零點幾到幾納米之間。在適當的條件下，不溶物單分子層可以通過特定的方法轉移到固體基底上，并且基本保持其定向排列的分子層結構。這種技術是20世紀二三十年代由美國科學家I.Langmuir及其學生K.Blodgett建立的一種單分子膜制備技術，它是將兼具親水頭和疏水尾的兩親性分子分散在水面上，經逐漸壓縮其水面上的占有面積，使其排列成單分子層，再將其轉移沉積到固體基底上所得到的一種膜。根據此技術首創者的姓名，將此技術稱為Langmuir-Blodgett膜組裝技術或方法(可以簡稱為L-B技術)。通常認為石墨烯氧化物并不具備兩親性，而L-B技術要求所用材料須是兩親性分子，這使得L-B技術在氧化石墨烯或石墨烯成膜方面的應用受到極大制約。

發明內容

因此，本發明的目的在于克服目前氧化石墨烯膜和石墨烯膜的制備方法缺陷和不足，提供一種更加簡單易行、成本低廉的氧化石墨烯膜和石墨烯膜的制備方法，和按照該方法所制備的氧化石墨烯膜和石墨烯膜，以及所述石墨烯膜的應用。

本發明提供了一種制備氧化石墨烯膜的方法，所述方法包括：

1)采用常規方法由石墨制備氧化石墨的水溶液或有機溶劑溶液。

2)向所述氧化石墨的水溶液或有機溶劑溶液中加入有機溶劑或水，進行第一次超聲處理和第一次離心處理，取固體，然后向所述固體中加入由水和有機溶劑組成的混合溶劑，進行第二次超聲處理和第二次離心處理，取上清液，即為氧化石墨烯溶液。

3)采用Langmuir-Blodgett方法將所述氧化石墨烯溶液滴加在水面上，使水-空氣界面上形成氧化石墨烯膜，然后將所述氧化石墨烯膜轉移至基底上。

本發明中，由于氧化石墨或氧化石墨烯的直徑一般為100～300nm左右，大于1.0nm，因而將其稱之為氧化石墨的懸浮液或氧化石墨烯的懸浮液更加準確。但本領域技術人員通常將其稱為氧化石墨溶液或氧化石墨烯溶液，因此本發明也按照本領域習慣將其簡稱為“溶液”。

所述氧化石墨溶液可以為氧化石墨的水溶液，也可以是氧化石墨的有機溶劑溶液。本發明對所述氧化石墨溶液的制備方法無特殊要求，采用現有技術方法制備即可。

例如，氧化石墨的水溶液的制備方法可以選用常規的Hummers方法進行制備。如，將石墨與硝酸鈉混合均勻，加入濃硫酸，在冰水浴中攪拌至溫度降至10℃以下，分多次加入高錳酸鉀，攪拌數天，期間可適當補加濃硫酸使體系處于可攪拌的狀態，然后加入去離子水及雙氧水水溶液進行攪拌，再使用去離子水多次離心洗滌，可制得氧化石墨的水溶液。詳細操作步驟可以參見文獻：Hummers，W.S.Offeman，R.E.Preparation?of?Graphene?Oxide.JACS，1958，80(6)，1339-1339中所公開的方法進行制備。