[發明專利]石墨烯-陶瓷復合電極陣列的激光雕刻制備方法及其應用

有效

• 申請號: 201910973700.1
• 申請日: 2019-10-14
• 公開（公告）號: CN112723855B
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發明（設計）人: 胡成國
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: C04B33/04
• 分類號: C04B33/04;C04B33/13;C04B33/32;C04B41/85
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 石超群

本發明屬于材料領域，涉及一種石墨烯?陶瓷復合電極陣列的激光雕刻制備方法及其應用。該石墨烯?陶瓷復合電極陣列的激光雕刻制備方法，將陶瓷原料單獨或與淀粉混合加水制成糊狀漿料后涂布于塑料基底表面形成涂層，干燥，然后對該涂層進行激光雕刻，制備石墨烯?陶瓷復合電極陣列。本發明的制備方法中陶瓷原料單獨或與淀粉形成的涂層，在激光雕刻過程中能吸光產生瞬時高溫，汽化涂層底部的塑料基底，而這些塑料基底的汽化產物進入涂層后，能在陶瓷原料內的金屬催化劑的作用下碳化形成石墨烯，陶瓷原料本身則在高溫作用下實現陶瓷化轉變，從而原位生成具有一定機械強度和親水性的石墨烯?陶瓷復合電極陣列。

技術領域

本發明屬于材料領域，涉及一種石墨烯-陶瓷復合電極陣列的激光雕刻制備方法及其應用。

背景技術

激光誘導石墨烯技術(LIG)能利用激光直接在絕緣高分子薄膜或涂層表面進行激光雕刻，制備具有高導電性的石墨烯基圖案或電極陣列，具有制備過程簡單、制備精度高、適用基底廣泛等特點，在超級電容器、電催化、傳感器、環境保護等諸多領域應用廣泛。由于其優良的物理化學性質，聚酰亞胺(PI)是目前LIG領域應用最多的高分子材料。然而，PI材料的不溶不熔特性在一定程度上限制了其加工性能，同時太厚的PI材料在激光雕刻過程中容易出現飛絲現象。因此，開發新型LIG前驅體材料，對于拓展LIG的應用領域具有重要的意義。

目前，除了廣泛使用的PI外，包括纖維素基材料、PEEK基材料、酚醛樹脂材料和硝酸纖維素等，也被證明能采用LIG技術制備高導電石墨烯電極陣列及其應用器件。其中，在空氣中或氣氛保護條件下，某些天然高分子材料(如含有纖維素、木質素的紙張和樹木等)，因具有綠色環保、來源廣泛等特點，在其作為LIG前驅體材料的研究也備受關注。同時，JMTour等發現，通過兩步激光雕刻處理，可以在面包、樹木和衣服表面構筑LIG電路及器件。

然而，現有的LIG前驅體材料，往往存在各種不足。比如廣泛使用的PI材料，只能使用超薄的膠帶形式、且成本較高；酚醛樹脂材料雖然成本較低，但其殘留的酚類物質對環境有影響，也不利于構筑低背景的電化學傳感器件；紙張、樹木等纖維素基LIG前驅體材料加工困難、難以涂層化和集成化，而硝酸纖維素材料則需要使用有毒有機溶劑進行分散和成膜，并且這類材料多需要氣氛保護或多步處理才能實現其有效石墨烯化。另一方面，雖然PET和PVC等塑料被廣泛用作各種電子器件的薄膜或片狀基底，但前期研究表明這些材料無法直接激光雕刻石墨烯化，因此直接采用PET或PVC塑料片基底作為碳源的LIG制備技術目前尚未見報道。

發明內容

本發明的目的之一在于提供一種石墨烯-陶瓷復合電極陣列的激光雕刻制備方法，過程簡單環保、原材料成本低、易于工業化放大。

本發明的目的之二在于提供一種石墨烯-陶瓷復合電極陣列的應用。

本發明實現目的之一所采用的方案是：一種石墨烯-陶瓷復合電極陣列的激光雕刻制備方法，將陶瓷原料單獨或與淀粉混合加水制成糊狀漿料后涂布于塑料基底表面形成涂層，干燥，然后對該涂層進行激光雕刻，制備石墨烯-陶瓷復合電極陣列。

涂布方式包括刮涂、旋涂、浸涂、噴涂等，激光雕刻環境無氣氛要求，可直接在空氣中進行，也可在氮氣、氬氣、氦氣或氫氣的氛圍下進行。

優選地，所述陶瓷原料為蒙脫土、高嶺土、陶土、瓷土、粘土中的至少一種。

優選地，所述塑料基底為PET基底或PVC基底。

優選地，所述涂層的厚度為1-30μm。

其中，采用白色陶瓷原料時，涂層的厚度為20-30μm，采用非白色陶瓷原料時，涂層的厚度為1-20μm，更為優選的，采用非白色陶瓷原料時，涂層厚度為1-3μm。

優選地，所述激光雕刻采用的激光的波長為200-800nm，激光的強度為100mW-50W。