[發(fā)明專利]一種基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料的制備方法及其應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410539294.5
• 申請(qǐng)日: 2014-10-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104310386A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-01-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳永勝;張騰飛;常慧聰;易寧波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南開(kāi)大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B31/04
• 分類號(hào): C01B31/04
• 代理公司: 天津佳盟知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

技術(shù)領(lǐng)域

?本發(fā)明涉及光驅(qū)動(dòng)材料的制備，特別是一種基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料的制備方法以及應(yīng)用。

背景技術(shù)

近現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展起來(lái)之前，輻射壓的概念已被用來(lái)解釋彗尾的形成與方向性，利用太陽(yáng)光的輻射壓即光壓為空間航行的飛行器提供推動(dòng)力的原型設(shè)想就被開(kāi)普勒提出。近現(xiàn)代物理學(xué)特別是麥克斯韋電磁場(chǎng)理論發(fā)展起來(lái)之后，輻射壓的形成及強(qiáng)度等問(wèn)題可以使用經(jīng)典物理學(xué)或者量子力學(xué)從理論角度進(jìn)行計(jì)算，另一方面，輻射壓也在二十世紀(jì)初期被物理學(xué)家利用實(shí)驗(yàn)加以證實(shí)和測(cè)量。對(duì)輻射壓的應(yīng)用研究隨即在二十世紀(jì)下半頁(yè)廣泛開(kāi)展。

激光技術(shù)的發(fā)展促成了利用光壓俘獲、操縱目標(biāo)物體的實(shí)現(xiàn)及基于此原理的光學(xué)鑷子等技術(shù)的發(fā)明。這些目標(biāo)物體可以是納米尺度的原子、分子或者離子，微米尺度的介電粒子、灰塵粒子或者聚苯乙烯等聚合物微粒，以及細(xì)胞或者亞細(xì)胞尺度上的對(duì)象例如活細(xì)胞、蛋白分子、細(xì)菌或者病毒等。但是，到目前為止，這一技術(shù)的俘獲及操縱對(duì)象仍然局限在微觀尺度，其尺寸均在納米和微米量級(jí)，另一方面，這種操縱的移動(dòng)范圍和移動(dòng)速度往往也在微米量級(jí)。此技術(shù)的相關(guān)操作均需要在顯微鏡下進(jìn)行，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)宏觀目標(biāo)的俘獲及操縱，這就使得這一技術(shù)始終被禁錮在微觀世界。?

光壓的另外一項(xiàng)重要應(yīng)用—太陽(yáng)帆飛行器也于二十世紀(jì)后期被廣泛研究。由于光壓是一個(gè)非常小的力，在近地軌道上，太陽(yáng)光在一平方米全反射面積上產(chǎn)生的推動(dòng)力約為0.9達(dá)因即9?μN(yùn)，這就使得光壓推進(jìn)成為一種小推力大比沖的推進(jìn)方式。如果要利用光壓為一定重量的有效載荷提供推進(jìn)力，并且這種推進(jìn)力要足夠使其在可接受的時(shí)間內(nèi)加速到空間飛行所需要的宇宙速度，那么唯一的途徑就是提高“太陽(yáng)帆”這一結(jié)構(gòu)的有效反射面積。這就對(duì)太陽(yáng)帆的材料選擇，制造工藝，展開(kāi)技術(shù)及使用壽命等帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。所以到目前為止，太陽(yáng)帆飛行器中只有IKAROS太陽(yáng)帆飛船一例技術(shù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)取得成功。

在太空這一真空環(huán)境中，太陽(yáng)光是唯一穩(wěn)定、連續(xù)且無(wú)限供給的能量來(lái)源。如果發(fā)展新型的材料或技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)在宏觀尺度上非常有效的光驅(qū)動(dòng)，并且這種作用提供的推動(dòng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光壓能夠提供的推動(dòng)力，那么其將對(duì)利用太陽(yáng)光實(shí)現(xiàn)有效的空間飛行具有重大意義。此外，這種對(duì)宏觀物體在宏觀尺度上的控制和驅(qū)動(dòng)，同樣可以應(yīng)用于制造其它環(huán)境下使用的光驅(qū)動(dòng)裝置，例如宏觀尺度上的“光鑷”技術(shù)。除此之外，利用材料對(duì)光的響應(yīng)特性，同樣可以發(fā)展光探測(cè)裝置或光控制裝置。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)上述技術(shù)分析，提供一種基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料的制備方法及其應(yīng)用，該方法制備的光驅(qū)動(dòng)材料具有良好的光吸收性能，且在光的照射下，具有一系列特性：如光致驅(qū)動(dòng)特性，可以被光推動(dòng)、舉起或旋轉(zhuǎn)；如電子發(fā)射特性，可以產(chǎn)生能夠被檢測(cè)的電流信號(hào)；基于這些特性，這種材料可以被用于制備太空飛行器和其他光驅(qū)動(dòng)裝置、光探測(cè)裝置或光控制裝置。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料的制備方法，步驟如下：

1）將氧化石墨烯分散在有機(jī)溶劑中，經(jīng)攪拌、超聲處理，使得氧化石墨烯充分、良好地分散，得到有機(jī)分散液；?

2）將上述分散液轉(zhuǎn)移到高壓溶劑熱反應(yīng)釜中，然后將釜密封，放入預(yù)加熱的烘箱中，在溫度為180℃下進(jìn)行高溫溶劑熱反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為12-18小時(shí)，待反應(yīng)釜冷卻至室溫后，取出充滿反應(yīng)溶劑的石墨烯材料，置于容器中；

3）將上述石墨烯材料中充滿的反應(yīng)溶劑置換為水；

4）將上述充滿水的石墨烯材料在溫度為-60℃至-40℃下進(jìn)行冷凍干燥處理；?

5）將上述冷凍干燥處理后的石墨烯材料在惰性氣氛或真空度不高于10Pa環(huán)境中于800-1200℃下進(jìn)行高溫焙燒1小時(shí)，制得基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料。

所述氧化石墨烯為由石墨烯中碳原子按照六角晶格排列組成的片狀分子結(jié)構(gòu)骨架上，含有各種含氧官能團(tuán)從而形成的二維平面材料，其中含氧官能團(tuán)為羧基、羰基、羥基或環(huán)氧鍵，氧化石墨烯的單片面積為1m²-3000μm²，單片厚度為0.6-2.0?nm，含氧量為10–50wt%。

所述有機(jī)溶劑為甲醇、乙醇、乙二醇、異丙醇和丙酮中的一種或兩種以上任意比例的混合物。

所述有機(jī)分散液中氧化石墨烯的濃度為0.2-5mg/mL，通過(guò)改變?nèi)芤菏褂昧亢头磻?yīng)釜的尺寸，使最終的基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料的密度為0.3-14mg/cm³，單塊材料的體積為2-200cm³。

本發(fā)明中制備的基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料具有以下一系列特征：