[發明專利]石墨烯紙的制備方法及其應用

在審

• 申請號: 201710628345.5
• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN107487768A
• 公開（公告）日: 2017-12-19
• 發明（設計）人: 汪澤維;黃浩;郭偉
• 申請（專利權）人: 合肥泓定科技有限公司
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;H01M4/133;H01M4/1393;H01B5/00;H01B13/00
• 代理公司: 北京聯瑞聯豐知識產權代理事務所(普通合伙)11411
• 代理人: 鄭自群

技術領域

本發明涉及導電材料技術領域，特別涉及一種石墨烯紙的制備方法及其應用。

背景技術

隨著煤炭、石油、天然氣等不可再生資源的不斷枯竭以及環境污染的日益嚴重，研究和開發出可再生、綠色的清潔能源及其配套的工業品、日用品顯得尤為迫切和重要。在太陽能、核電、水電及風電取代不可再生資源來發熱發電的大背景下，眾多工業品和日用品也越來越注重節能減排。另外，隨著人們對產品便攜和可穿戴性能的需求提升，低能耗、輕便集成化的產品展現出了巨大的市場潛力。

石墨烯作為新興的碳材料，具有高導電導熱性能的同時，具有輕便、柔韌性好、可大面積使用、不易氧化等優點，具有比其它碳材料更加突出的遠紅外輻射性能，制成的加熱元器件具有體感溫度高、熱舒適性好的特點，因此石墨烯具備優異電熱材料的特點。

現已有制備石墨烯紙的報道。制備石墨烯紙的方法通常包括先制備氧化石墨烯，后通過簡單的一步熱還原法還原制得石墨烯紙。但由于氧化石墨烯表面存在多種官能團，而各種官能團的分解溫度有較大差異，因此，在該一步熱還原法過快的升溫過程中，氧化石墨烯表面容易產生缺陷，導致制得的石墨烯紙導電率不高。

發明內容

為解決上述問題，本發明旨在提供一種石墨烯紙的制備方法，通過該方法可制得導電率高的石墨烯紙。本發明同時還提供了該石墨烯紙的應用。

為了實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發明通過以下技術方案實現：

本發明提供了一種石墨烯紙的制備方法，包括以下步驟：

(1)將氧化石墨加入至醇溶劑中，超聲處理后得到氧化石墨烯懸浮液；

(2)將該氧化石墨烯懸浮液進行微孔濾膜真空過濾，得到氧化石墨烯薄膜；

(3)取所述真空熱還原后產物放置管式爐中，在惰性氣體與還原性氣體氛圍下再次進行熱還原，制得石墨烯紙。

優選地，所述步驟(3)中所述再次的熱還原步驟具體為：向所屬管式爐中通入惰性氣體，惰性氣體的氣流流量為50～70ml/min，先以1～5℃/min的升溫速率升溫至180～220℃，保溫5～10分鐘，此時通入惰性氣體與還原性氣體的混合氣體，再以5～10℃/min的升溫速率，緩慢升溫至500～1000℃，還原時間為0.5～2h。

優選地，所述步驟(3)中所述惰性氣體為氮氣、氬氣和氦氣中的一種或幾種，所述還原性氣體為氫氣。

優選地，所述步驟(3)中的所述還原性氣體占還原性氣體與惰性氣體總體積的5～10％。

本發明對氧化石墨烯紙進行的熱還原共包括兩次，分別為真空熱還原以及在惰性氣體與還原性氣體氛圍下再次進行的熱還原。真空熱還原過程中，溫度較低，可實現在較低的溫度下，對氧化石墨烯的環氧官能團的還原，使石墨烯產生缺陷較少。在惰性氣體和還原性氣體的氛圍下再次進行的熱還原過程中，溫度較高，可實現在較高的溫度下，對剩余官能團(如羥基、羰基等)的還原，降低含氧量的同時，還能通過氫氣還原修復缺陷，從而制得導電率較高的石墨烯紙。

本發明所述的氧化石墨烯可通過不同制備方法得到，例如機械剝離法、外延生長法、化學氣相沉淀法，還可以是通過對生物質資源水熱碳化法，以及現有技術中其它方法制備的石墨烯。但是，無論哪種方法都很難實現大規模制備得到嚴格意義理論上的石墨烯，例如現有技術制備得到的石墨烯中會存在某些雜質元素、碳元素的其它同素異形體或層數非單層甚至多層的石墨烯結構，例如3層、5層、10層、20層等，本發明所利用的石墨烯也包括上述非嚴格意義理論上的石墨烯。

同時，本發明還提供了如上述石墨烯紙制備方法制得的石墨烯的應用，該石墨烯紙可被用作集流體。由于該石墨烯紙電率較高，并且密度小，以及具有良好的機械性能，因此該石墨烯紙滿足集流體應用的性能指標。

進一步地，所述石墨烯紙用于制作可穿戴設備或服飾的電源，或者用于制作導電面膜的電源。

一種石墨烯紙電池，所述石墨烯紙電池的正極或負極中的一個由所述的石墨烯紙制成，該種石墨烯紙電池具有電池容量高、性能穩定、壽命長的優點。

本發明的有益效果

本發明提供的一種石墨烯紙的制備方法及其應用，實現了所制備的氧化石墨烯薄膜不會膨脹或破損，而且具有優異的電導率。本發明石墨烯薄膜制備方法，操作簡單，成本低廉，對環境友好，非常適于工業化生產。同時本發明提供一種容量高、性能穩定、壽命長的紙電池，拓寬了導電紙和紙電池的應用領域，為導電紙和紙電池的工應用開辟了新途徑。

具體實施方式