[发明专利]导电石墨烯膜及其自组装制备方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯薄膜制备技术，特别涉及一种导电石墨烯膜及其自组装制备方法。

背景技术

石墨烯是近年发现的二维碳原子晶体，是目前碳质材料和凝聚态物理领域的研究热点之一。石墨烯是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2杂化碳的基本结构单元。石墨烯具有很多奇特的性质。石墨烯是一种没有能隙的物质，显示金属性；单层的石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的电子，因此具有非常好的导电性；石墨烯中的空穴和电子相互分离，导致了新的电子传导现象的产生，例如不规则的量子霍尔效应。石墨烯具有非常广阔的应用前景，它的奇特性质提供了良好的物理实验平台，还是制造纳米电子器件-高频晶体管和单电子晶体管的最佳材料，在显微滤网和超导方面也有很广阔的应用前景。基于石墨烯片层组装的石墨烯薄膜是其应用于宏观场合的重要形态。

现有的氧化石墨烯膜与石墨烯膜的制备方法主要有过滤方法[Dikin D A，StankovichS，Zimney E J，et al.Nature 2007，448，457.]、分子模板方法[Wei Z，Barlow D E，Sheehan P E.Nano Lett.2008，8，3141.]、LB成膜方法[Li X，Zhang G，Bai X，et al.Nat.Nanotech.2008，3，538.]以及化学气相沉积方法[Kim KS，Zhao Y，Jang H，etal.Nature 2009，457，706.]等。此外，也有研究组直接将氧化石墨烯溶液涂敷在基体上，通过化学还原制备出石墨烯膜，研究这种膜替代ITO作为透明导电膜的可行性[Becerril H A，Mao J，Liu Z，et al.ACS Nano 2008，2，463.]。在这些方法中，过滤方法过程简单，易于控制，然而获得的柔性膜往往与基体具有较强的作用，厚度很薄时很难与滤膜分离，很难获得超薄石墨烯和氧化石墨烯膜；分子模板方法、LB成膜通过对单片石墨烯的自组装，形成超薄石墨烯片层，难于制备大面积的宏观薄膜；而化学气相沉积方法，结构较难有效控制而且成本较高。我们小组和中科院煤化所合作，在前期工作中发明气液界面自组装方法，由化学方法获得的氧化石墨烯水溶胶出发，在气液界面上自组装形成无支撑氧化石墨烯薄膜[Chen C M，Yang Q H，Yang Y G，et al.Adv.Mater.2009，DOI：10.1002/adma.200803726.]。然而，这种方法获得的氧化石墨烯薄膜需要经过化学还原或者高温气相还原才能转化为石墨烯膜，在还原过程中结构容易破坏，强度容易降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种导电石墨烯膜及其自组装制备方法。以石墨烯为原料，利用气液界面成膜法组装石墨烯膜将克服由氧化石墨烯自组装成膜后的还原过程所带来的不利因素。石墨烯不具有亲水性，利用分散助剂，对石墨烯粉状材料进行均匀分散，然后采用气液界面成膜法制得石墨烯膜。这种石墨烯膜具有良好的导电性及强度，并且厚度可控、形状可剪裁、尺度可调节，而且成本低、工艺易于放大。

本发明中制备的导电石墨烯膜，其方块电阻在1-6000Ω/sq范围内，具有良好的强度，厚度为0.2-100μm，形状可剪裁、尺度可调节。

上述导电石墨烯膜的自组装制备方法，技术方案如下：

1.将石墨烯粉状材料与分散助剂，按照质量比1∶0.5-100比例加入反应器中，然后加入与石墨烯的体积质量比为1-10∶1(mL/mg)的溶剂中，超声震荡0.5-10h，超声功率为20-300W，得到分散良好的石墨烯溶液；

2.将氧化石墨与溶剂以1-30∶1(mg/mL)放入烧杯中，超声0.5-10h，超声功率为20-300W，得到分散良好的氧化石墨烯溶液；

3.将分散良好的石墨烯溶液与氧化石墨烯溶液以1∶0-10(体积比)混合均匀，移入5-90℃水浴中，水浴温度低于溶剂的沸点，在水浴中保持5min-10h，石墨烯在气液面自组装形成石墨烯膜，自液面上将其捞出，常温下干燥得到石墨烯薄膜。

由于石墨烯不具有亲水性，但是可以通过加入分散助剂使其在溶液中均匀分散，所以只要能够分散石墨烯分散助剂都可以在本发明中使用；包括DNA、阴离子、阳离子、两性及非离子表面活性剂等不一一列举。

所述的溶剂为水、无水乙醇、丙酮、乙醚或甲胺等沸点较低的溶剂。

上述自组装形成的石墨烯膜的尺度调节，根据所用容器液面的大小实现；

上述自组装形成的石墨烯膜的厚度调节，通过控制自组装时间和石墨烯浓度实现。