[發明專利]一種多重響應的石墨烯/氧化石墨薄膜的制備方法

有效

• 申請號: 201410817909.6
• 申請日: 2014-12-19
• 公開（公告）號: CN104591162B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發明（設計）人: 張青紅;穆九柯;王宏志;李耀剛
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 上海泰能知識產權代理事務所31233
• 代理人: 黃志達

技術領域

本發明屬于多重響應材料的制備領域，特別涉及一種多重響應的石墨烯/氧化石墨薄膜的制備方法。

背景技術

刺激變形材料為一類在受到外界環境刺激(如光、溫度、濕度等)下其形狀會根據刺激程度而發生不同程度改變的材料。常見的致動機制有靜電致動、壓電致動、電磁致動、形狀記憶合金致動、光致動和熱致動等。近年來其作為一種人工智能材料越來越受到科研工作者的關注，特別是在人工肌肉、光驅動器和微型光機械系統等領域表現出極大的應用前景。同其他致動方式相比,光(溫度)致動具有可遙控供能,無須導線,驅動力大,變形量大,光驅動清潔、安全,不受電磁干擾等優點,因此光(溫度)致動型的刺激變形材料被認為是最有潛力的致動材料之一。一直以來這種變形材料以含有偶氮苯等光敏基團的交聯型液晶高分子為研究最多的材料，材料的變形通過偶氮苯基團的光致異構化實現。目前這種材料已經在多種光驅動柔性器件中得到應用，如塑料馬達、柔性微機器人、高頻振蕩器、人造纖維等。但是這類光驅動變形材料常常存在著一些問題，如制備過程中高分子取向工藝復雜，光響應時間長(>10s)，恢復速率慢，重復精度不高(5％～20％)等問題，極大地限制了它的性能和應用。

自2004年英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆(Andre?Geim)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin?Novoselov)，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在被廣泛的關注及研究。由于具有極其優良的光學，電化學以及機械等性能其在很多領域得到應用，包括納電子器件、超級計算機、太陽能電池、光子傳感器以及基因測序等。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種多重響應的石墨烯/氧化石墨薄膜的制備方法，本發明方法制備簡單，可實現大規模、低成本生產。

本發明的一種多重響應的石墨烯/氧化石墨薄膜的制備方法，包括：

(1)通過化學剝離的方法將鱗片石墨制備成氧化石墨；

(2)將氧化石墨超聲分散在去離子水中，得到氧化石墨水溶液，然后用酸調節pH為2-6；

(3)將活波金屬板置于氧化石墨水溶液中，放置水平平臺并保持溫度為10-50℃，放置1-7天，取出活波金屬板后沖洗，干燥，剝離薄膜，即得多重響應的石墨烯/氧化石墨薄膜。

所述步驟(2)中氧化石墨水溶液的濃度為1mg/ml～15mg/ml。

所述步驟(2)中酸為硫酸、鹽酸中的一種。

所述步驟(3)中活波金屬板為銅箔、鎳箔、鋼板中的一種；活波金屬板在有機溶劑中超聲處理。

所述有機溶劑為乙醇、丙酮中的一種或幾種。

所述步驟(3)中活波金屬板置于氧化石墨水溶液中，金屬板距液面高度為5cm～25cm。

所述步驟(3)中沖洗為去離子水沖洗；50℃干燥箱中干燥為3-8h。

所述步驟(3)中得到的多重響應的石墨烯/氧化石墨薄膜在光照、水汽、溫度刺激下發生變形，去除刺激后恢復原狀。

(以銅箔為例)，其中活潑金屬表面發生的氧化還原反應為：

nCu+nGO+2n?H+＝nCu²⁺+nrGO+nH₂O。

活潑金屬板材基底，在酸性條件下可以和吸附到其表面的氧化石墨片層發生氧化還原反應，使氧化石墨在一定程度上得到還原，并且越先吸附的氧化石墨還原程度越大。

本發明提供的可逆多重刺激驅動變形薄膜的制備方法，以活潑金屬為還原劑，以化學法剝離法制備的氧化石墨為原材料，通過液相沉積的方式制備了可逆多重刺激驅動變形石墨烯/氧化石墨烯薄膜。

本發明化學法制備氧化石墨的步驟為：將天然鱗片石墨加入到高錳酸鉀的濃硫酸溶液中，并在冰水浴(～0℃)中攪拌2小時，然后移入98℃油浴鍋中并加入200mL去離子水，保溫0.5小時后將反應物抽濾洗滌，得到化學法制備的氧化石墨。

本發明通過特殊的還原手段以及成膜方式在同一薄膜上使得兩種成分出現不同結構及排布，從而表現出了對多種外界刺激(光照，水汽以及溫度)具有變形響應的效果，同時兩種成分沒有明顯界面即是由一種成分逐漸過渡為另一種成分，所制備的薄膜在不需要添加任何傳統的光誘導取向高分子的情況下在光照、水汽以及溫度刺激下發生快變形，去除刺激后會恢復原狀，并且在重復上百次后沒有明顯的衰減和疲勞，同時以活性金屬基底液相層層自組裝的方法也賦予了該材料較好的力學性能及電學性能。