[發明專利]一種氮元素摻雜預還原氧化石墨烯薄膜及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202111311409.1
• 申請日: 2021-11-08
• 公開（公告）號: CN113896190B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 梁耕源;張鑒煒;唐俊;鞠蘇;劉鈞;雷博文;肖穎;趙文姝
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: C01B32/194
• 分類號: C01B32/194;H01L35/22
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 趙杰

本發明公開了一種氮元素摻雜預還原氧化石墨烯薄膜及其制備方法和應用，所述薄膜由預還原氧化石墨烯薄膜在氮氣氣氛中經過高溫熱沖擊處理而成，其中N元素的含量最高可達2.26％，且它以石墨氮和吡咯氮形式存在。其制備方法包括：將氧化石墨烯水相溶液涂抹在基板上，制成氧化石墨烯薄膜，然后進行高溫預還原，得到預還原氧化石墨烯薄膜，最后，在高溫熱沖擊工藝在氮氣氣氛中加工得到本發明薄膜。本發明產品具有輕質柔性、高電導率及熱電勢高等優點，是新型的碳基高溫熱電薄膜材料，能夠廣泛應用于能量轉換領域，有很高的使用價值和很好的應用前景。本發明制備方法簡單易行，制備周期短，方便易操作，適用于工業大規模制備。

技術領域

本發明屬于氧化石墨烯技術領域，具體涉及一種氮元素摻雜預還原氧化石墨烯薄膜及其制備方法和應用。

背景技術

因在航空航天、深空深海探測、能源轉換等前沿領域的可應用性，柔性高溫熱電材料在近些年引起了廣泛關注。且研究表明，制備具有輕質柔性、熱電性能好的高溫熱電材料通常需要滿足：優異的耐溫性能，較低的密度，好的彎折性能，較高的電導率以及高的熱電勢。

目前，常用的氮摻雜技術有化學氣相沉積法，熱退火法以及等離子濺射法。其中，CVD法可以較精確的控制氮元素摻雜形式，但耗時較長，且摻雜量較低；熱退火法摻雜量較高，但很難控制氮元素種類，且耗時很長；等離子濺射摻雜時間短，摻雜含量較高，但往往會造成表面結構的破壞。常見的高溫熱電材料主要為金屬合金材料或無機半導體材料，金屬合金雖然具有優異的耐溫性能，較高的電導率以及高的熱電勢，但其重量較大，易碎，且制備成本較高；無機半導體材料具有較低的密度，但其電導率較低，且不具有柔性，在很多應用中難以滿足實際的需要。

因此，發展一種具有優異的耐溫性能，較低的密度，好的彎折性能，較高的電導率以及高的熱電勢的柔性高溫熱電薄膜具有重要的意義。

發明內容

本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種氮元素摻雜預還原氧化石墨烯薄膜及其制備方法和應用，所述氮元素摻雜預還原氧化石墨烯薄膜具有優異的耐溫性能，較低的密度，好的彎折性能，較高的電導率以及高的熱電勢，通過在氮氣氛中高溫熱沖擊工藝實現。

為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案是：一種氮元素摻雜預還原氧化石墨烯薄膜，其中氮元素原子數的含量0.94％～2.26％，且N元素以石墨氮和吡咯氮形式存在，氮元素摻雜預還原氧化石墨烯薄膜的電導率達13870S/m，密度不大于1.05g/cm³；平均塞貝克系數達-46.5μV/K；功率因子達30.27μWm^-1K^-2；所述氮元素摻雜預還原氧化石墨烯薄膜由還原氧化石墨烯薄膜在氮氣氣氛中經過高溫熱沖擊處理而成。

本發明還提供了上述氮元素摻雜預還原氧化石墨烯薄膜的制備方法，包括以下步驟：

S1、將氧化石墨烯水相分散液原液稀釋，得到適合制膜的氧化石墨烯水相溶液；

S2、將步驟S1中得到的氧化石墨烯水相溶液涂覆在基板上，烘干，脫模，得到氧化石墨烯薄膜；

S3、將步驟S2中得到的氧化石墨烯薄膜在管式爐中進行熱處理還原，得到預還原氧化石墨烯薄膜；

S4、將步驟S3中得到的預還原氧化石墨烯薄膜加工，得到高溫熱沖擊樣品；

S5、將步驟S4中得到的高溫熱沖擊樣品在氮氣氣氛中通過高溫熱沖擊；

S6、從步驟S5處理后的樣品中取出薄膜，得到氮元素摻雜預還原氧化石墨烯薄膜。