[發(fā)明專利]石墨烯分散液以及石墨烯薄膜的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310347748.4
• 申請日: 2013-08-09
• 公開（公告）號: CN103466603A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉立偉;吳麗瓊;李偉偉;邱勝強(qiáng);高嵩;廖書田
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04;C08L81/06;C08L33/12;C08K3/04;C08J5/18;B82Y30/00
• 代理公司: 深圳市銘粵知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44304
• 代理人: 楊林;馬翠平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及石墨烯材料的制備方法，尤其是指石墨烯分散液的制備方法及石墨烯薄膜的制備方法。

背景技術(shù)

石墨烯是繼富勒烯和碳納米管之后，在碳材料領(lǐng)域又一重大發(fā)現(xiàn)。石墨烯是由單層sp²雜化碳原子排列形成的蜂窩狀六角平面二維晶體。石墨烯具有大的比表面積、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、高的載流子遷移率。這些優(yōu)異特性使石墨烯在光電子器件、化學(xué)電源（如太陽能電池、鋰離子電池）、氣體傳感器、催化劑和藥物載體、抗靜電和散熱材料等領(lǐng)域有巨大的潛在應(yīng)用前景。

石墨烯片層容易發(fā)生聚集或重新堆垛,往往會影響石墨烯性能在實際應(yīng)用中的發(fā)揮。因此，通常將石墨烯分散在有機(jī)溶劑或含表面活性劑的水溶液中,溶劑分子或表面活性劑分子吸附在石墨烯表面上,依靠靜電斥力或分子間作用力,實現(xiàn)石墨烯的分散，進(jìn)而為基于石墨烯的材料組裝以及性質(zhì)研究提供方便、均一、穩(wěn)定的分散液是石墨烯在眾多領(lǐng)域應(yīng)用和研究的重要條件。

目前報道的制備石墨烯分散液的方法主要有分散還原氧化石墨烯，直接將石墨粉體進(jìn)行超聲分散，或?qū)⑹垠w與表面活性劑混合進(jìn)行超聲分散，但獲得的分散液濃度較低，限制了石墨烯發(fā)展。因此，制備高濃度的石墨烯分散液是亟待解決的課題，并且具有重要的應(yīng)用價值。利用石墨烯分散液制備具有較好導(dǎo)電導(dǎo)熱性能的石墨烯薄膜可廣泛應(yīng)用于儲能器件及散熱材料等領(lǐng)域。目前,石墨烯薄膜的制備常采用氧化石墨烯分散液為原料,利用真空過濾法制備氧化石墨烯薄膜,然后通過化學(xué)或熱還原得到石墨烯薄膜。氧化石墨還原法雖然能夠以相對較低的成本制備出大量的石墨烯，然而石墨烯的電子結(jié)構(gòu)以及晶體的完整性均受到強(qiáng)氧化劑嚴(yán)重的破壞，使其電子性質(zhì)受到影響,一定程度上限制了其在器件方面的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種石墨烯分散液的制備方法，該方法包括如下步驟：

步驟A：以膨脹石墨壓制形成的電極作為陽極、金屬或非金屬電極材料作為陰極；將所述陽極和陰極置于電解質(zhì)溶液中，并在所述陽極和陰極之間施加1～20V的電壓和/或密度為1～200mA/cm²的電流進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)1～120分鐘；

步驟B:電化學(xué)反應(yīng)后的陽極產(chǎn)物進(jìn)行洗滌，然后加入到分散劑中，通過超聲或/和機(jī)械攪拌分散獲得所述石墨烯分散液。

優(yōu)選地，所述膨脹石墨是在壓力為1～50Mpa的條件下壓制形成電極的。

優(yōu)選地，所述電解液包括氯化鐵、氯化鎳、氯化銅、氯化鋰、氯化鈉、氯化鉀、硫酸鉀、硫酸鈉、硫酸、硝酸、乙酸、甲酸、丙酸、磷酸、磷酸銨、硫酸銨、硝酸銨、氨水中的任意一種或幾種的水溶液；所述電解液中電解質(zhì)的濃度為0.1～15mol/L。

優(yōu)選地，對陽極產(chǎn)物進(jìn)行洗滌的洗滌溶劑為水、鹽酸、乙醇、異丙醇、丙酮、乙腈和四氫呋喃中的任意一種或兩種以上的組合。

優(yōu)選地，所述分散劑是水、甲醇、乙醇、異丙醇、丙酮、乙腈、四氫呋喃、二甲基亞砜、1,2-二氯乙烷、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二乙基甲酰胺、N-甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、γ-丁內(nèi)酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、乙酸乙酯、吐溫-60、吐溫-80、吐溫-85、曲拉通x-100、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、木質(zhì)素磺酸鈉、膽酸鈉中的任意一種或兩種以上的組合。

優(yōu)選地，所述金屬或非金屬電極的材料至少選擇鉑、金、銀、銅、銅合金、鈦、鈦合金、鎳和石墨中的任意一種。

優(yōu)選地，該方法制備得到的石墨烯分散液的濃度為0.1～20mg/mL。

優(yōu)選地，所述石墨烯分散液中，所述石墨烯是層數(shù)為1～30的薄層石墨烯。

本發(fā)明的另一方面是提供一種石墨烯薄膜的制備方法，該方法為：將如上所述石墨烯分散液通過過濾成膜方式或涂覆成膜方式或自然沉積方式在基底上形成薄膜，去除所述薄膜中的分散劑和所述基底后形成無支撐的致密或多孔的石墨烯薄膜。

其中，所述基底材料包括普通玻璃、石英玻璃、單晶硅片、多晶硅片、泡沫鎳、泡沫鋁、多孔硅、金、銀、銅、鎳、不銹鋼、海綿、布料、陶瓷、塑料、紙和木材中的任意一種。

其中，所述過濾成膜方式包括真空抽濾、常壓過濾或加壓過濾；所述涂覆成膜方式包括旋涂、噴涂或刮涂。

優(yōu)選地，所述石墨烯分散液中還加入聚合物材料，制備得到的石墨烯薄膜為石墨烯-聚合物復(fù)合膜。