[發明專利]一種高質量石墨烯的分散和薄膜制備方法

有效

• 申請號: 201310371513.9
• 申請日: 2013-08-22
• 公開（公告）號: CN103449420A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 裴嵩峰;黃坤;李峰;周光敏;聞雷;宋仁升;任文才;成會明
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

技術領域

本發明涉及石墨烯領域，具體為一種高質量石墨烯的分散方法，以及利用相應的石墨烯分散液或漿料制備薄膜的方法。

背景技術

石墨烯（Graphene）作為一種新型碳材料備受關注，是一種由sp²雜化的碳原子構成，厚度僅為單原子層的二維晶體材料，具有高透光性和導電性、高比表面積、高強度及柔韌性等優異的性能，可望在高性能納電子器件、光電器件、氣體傳感器、復合材料、場發射材料及能量存儲等領域獲得廣泛應用。高質量的石墨烯是指片層面積較大（橫向尺寸>1微米），晶體結構完整、缺陷量少（拉曼光譜表征D峰不明顯或D/G<0.1）和表面官能團數量較少(碳氧原子比大于20)的石墨烯片。這種石墨烯具有與理想石墨烯產品接近的光學、電學和力學性質。

高質量的石墨烯通常可以通過三種方法制得：第一，微機械剝離的方法從石墨片的表面進行逐層剝離得到石墨烯片，可制備出最接近理想狀態的石墨烯，但效率極低，僅適用制備用于實驗研究的石墨烯。第二，高溫條件下利用化學氣相沉積的方法在金屬表面生長或SiC等晶體進行表面外延生長，可制備出大面積的石墨烯薄膜直接加以應用。第三，利用液相直接剝離或插層膨脹剝離的方法對石墨原料進行剝離，得到宏量石墨烯；由于制備過程中沒有造成石墨烯的片層結構破壞，因此所得石墨烯片滿足高質量石墨烯的結構和性能要求，與氧化還原法制備的還原氧化石墨烯在結構和性能上都具有明顯的區別。第三類方法這也是目前實現高質量石墨烯（以下簡稱石墨烯）宏量制備的主要方法。

由于石墨烯的厚度在納米尺度，未經表面處理的石墨烯粉體或漿料通常會發生相互團聚以降低表面能（這種狀態下的漿料稱為團聚態漿料）。而在實際應用中，團聚在一起的石墨烯是無法在宏觀尺度下形成有效的導電網絡或相互疊加構成致密的薄膜結構，而這兩種形式是石墨烯宏觀應用的兩種主要形式。因此，實現良好的液相分散是實現石墨烯應用的關鍵步驟。所謂良好的分散，是指石墨烯片層在溶液中都以獨立的片層穩定存在，并且具有較高的濃度。石墨烯是一種化學惰性很強的物質，研究表明，能與其產生較強相互作用的液相物質只有超強酸類物質，如發煙硫酸、氯磺酸等，但由于這類物質具有一定的危險性和對使用環境要求苛刻，因而即使石墨烯可在其中實現有效分散，也難以實現基于這類溶液的大量應用。除此之外，目前已知的常用溶劑均難以實現高質量石墨烯的有效分散。

目前有報道可以實現石墨烯暫態穩定分散的溶劑主要有N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺和二氯乙烷等，但可分散濃度最高僅能達到0.1%（質量比，以下同）。目前報道中用于高質量石墨烯分散的常用方法是利用表面活性劑，如十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、膽酸鈉、Trition?X-100等，或線形可溶高分子材料，如聚乙烯吡咯烷酮、纖維素衍生物、聚乙烯醇等，作為分散助劑實現石墨烯在常用溶劑，如水、乙醇等中的分散，分散濃度可以超過1%。但是在使用這種分散液制備石墨烯，如石墨烯薄膜等，通常會造成液相成型后分散劑的殘余且難以去除，從而對最終性能，尤其是電學和熱學性能，造成不利的影響。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高質量石墨烯的分散方法，實現在液相條件下可對高質量石墨烯進行高濃度的有效分散，并且利用這種分散液或漿料直接通過常規的涂膜制備方法，如噴涂、輥涂、刮涂等，即可在基體材料表面形成石墨烯涂膜，且干燥后所得石墨烯薄膜中無分散劑殘留，從而使所得石墨烯薄膜具有優異的電傳導和熱傳導性能。

本發明的技術方案是：

一種高質量石墨烯的分散和薄膜制備方法，將石墨烯粉體或團聚態漿料加入到小分子胺化合物的溶液中進行分散處理，得到石墨烯在對應溶劑中的高濃度、高穩定性和易去除分散劑的分散液或漿料；其中，小分子胺化合物為：不飽和胺、面狀或鏈狀多胺、低分子量的不飽和酰胺之一種或兩種以上；按質量百分比計，當石墨烯濃度低于3%，且溶液具有良好流動性時，稱為石墨烯分散液；當石墨烯濃度在3%以上或靜置狀態下失去流動性時，稱為石墨烯漿料，石墨烯漿料的最高可分散濃度為5%；利用所述分散液或漿料直接通過常規的涂膜制備方法，在基體材料表面形成石墨烯涂膜。

所述的高質量石墨烯的分散和薄膜制備方法，用于分散的小分子胺化合物與所分散的石墨烯的質量比為1:100～1:1。

所述的高質量石墨烯的分散和薄膜制備方法，不飽和胺為烯丙基胺或二烯丙基胺；面狀或鏈狀多胺為三乙烯二胺、二乙烯三胺或三乙烯四胺；低分子量的不飽和酰胺為馬來酰亞胺或丙烯酰胺。

所述的高質量石墨烯的分散和薄膜制備方法，石墨烯分散液或石墨烯漿料的穩定分散時間為大于180天。