[發明專利]一種氣相還原法制備石墨烯和二氧化鈦復合材料的方法

有效

• 申請號: 201210362234.1
• 申請日: 2012-09-25
• 公開（公告）號: CN102874799A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 暴寧鐘;查晨陽;何大方;王仙
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04;C01G23/047
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 徐冬濤;袁正英

技術領域：

本發明涉及一種制備石墨烯和二氧化鈦復合材料的方法，尤其涉及一種氣相還原法制備石墨烯和二氧化鈦復合材料的方法。

背景技術：

在近20年中，碳元素引起了世界各國研究人員的極大興趣。自富勒烯和碳納米管被科學家發現以后，三維的金剛石、二維的石墨、一維的碳納米管、零維的富勒烯球組成了完整的碳系家族。其中石墨以其特殊的片層結構一直以來是研究的一個熱點。石墨本體并非是真正意義的二維材料，單層石墨碳原子層(Graphene)才是準二維結構的碳材料。單層石墨碳原子層是指一個C原子層厚度的石墨，C-C間依靠共價鍵相連接的蜂窩狀結構層。人們一直在試圖找到一種方法來制備出碳元素的準二維材料。

同時石墨烯還表現出了異常的整數量子霍爾行為。其霍爾電導等于2e²/h，6e²/h，10e²/h等，可以在室溫下觀測到。這個行為已被科學家解釋為電子在石墨烯里的有效質量為零，這和光子的行為極為相似；不管石墨烯中的電子帶有多大的能量，電子的運動速率都約是光子運動速率的三百分之一，其為10⁶m/s。石墨烯的室溫量子霍爾效應，無質量狄拉克費米子型載流子，高達200000cm²/V·s的遷移率。

二氧化鈦是一種重要的無機材料制備原料，其顆粒尺寸為1-100nm之間，納米二氧化鈦由于其自身尺度達到納米級別，所以產生了許多納米材料所共有的特別性質，如：比表面積大和表面能高等特點。宏觀上面表現出特殊的光學性質、熱學性質、磁學性質和力學性質。納米二氧化鈦因為自身的特殊性質在制造新一代太陽能電池，包括染料敏化太陽能電池和量子點太陽能電池中扮演了重要角色。

目前，很少有方法將石墨烯和二氧化鈦制成均勻的復合成漿料（參見Xu?Du,Ivan?Skachko,Fabian?Duerr,Adina?Luicanl?&?Eva?Y.Andrei,Nature?462,192(2009)）。

發明內容：

本發明的目的是提供一種氣相還原法制備石墨烯和二氧化鈦復合材料的方法，利用氧化石墨烯在極性或者非極性溶液中都有良好的分散性的特點，將氧化石墨烯復合進二氧化鈦漿料中，再絲網印刷在基板上，通過氣相還原法將復合在二氧化鈦中的氧化石墨烯直接還原成石墨烯，得到導電性能良好的石墨烯復合二氧化鈦的材料。

本發明的技術方案為：一種氣相還原法制備石墨烯和二氧化鈦復合材料的方法，其具體步驟如下：

（1）酸化處理：二氧化鈦粉末中加入酸溶液進行酸化處理；

（2）配制漿料：配制氧化石墨烯的水溶液，加入步驟（1）中經酸化處理后的二氧化鈦溶液中，然后攪拌，再加入有機溶劑，再攪拌；得到漿料；

（3）固化漿料：在步驟（2）配制的漿料加入固化劑后，然后攪拌，再加入高分子聚合物，攪拌；

（4）濃縮漿料：將步驟（3）固化的漿料經過蒸餾處理制得濃縮的氧化石墨烯和二氧化鈦的復合漿料；

(5)氣相還原：將步驟（4）制得的復合漿料絲網印刷在基板上，在還原性氣體中，加熱還原，最終得到石墨烯和二氧化鈦復合材料。

優選步驟（1）中所述的酸液為硝酸、甲酸或乙酸中的一種或幾種混合物；其中硝酸的質量濃度為10%—90%，甲酸和乙酸的質量濃度均為10%—30%；酸液的加入量為控制二氧化鈦粉末質量和酸液質量比為（1-100）:(1-100)；二氧化鈦粉末平均粒徑為1nm-100μm。

優選步驟（2）中氧化石墨烯水溶液的濃度為0.1g/L-100g/L；氧化石墨烯水溶液的加入量為控制二氧化鈦粉末質量和氧化石墨烯質量比為（1-100）：（1-100）；有機溶劑為乙醇、甲醇、異丙醇、丙醇或正丙醇中的一種或幾種；有機溶劑的加入量為控制二氧化鈦粉末質量和有機溶劑的質量比為（1-100）：（1-100）。

優選步驟（3）中所述的固化劑為聚乙二醇（更優選為聚合度為2000和聚合度為20000聚乙二醇）、松油醇、烷基酚聚氧乙烯醚（簡稱：OP-10乳化劑）、乙酰丙酮和對異辛基苯基醚（簡稱：曲拉通X-100）中的一種或幾種；固化劑的加入量為控制二氧化鈦質量和固化劑質量之比為（1-100）：（1-100）；所述的高分子聚合物為甲基纖維素、乙基纖維素、羥甲基纖維素、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素、羥丙基甲基纖維素和纖維素粉中一種或幾種；高分子聚合物的加入量為控制二氧化鈦粉末質量和高分子聚合物質量比為（1-100）：（1-100）。