[发明专利]氧化石墨烯膜、石墨烯膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及氧化石墨烯膜和石墨烯膜的制备方法，具体涉及一种采用了Langmuir-Blodgett组装方法制备氧化石墨烯膜和石墨烯膜的制备方法，和按照该制备方法制得的氧化石墨烯膜和石墨烯膜，以及所述石墨烯膜的应用。

背景技术

自2004年Geim等人通过微机械剥离法获得了单层石墨烯以来，这种已知的最薄碳材料就成为了其家族中的“明星分子”。其稳定的二维晶格结构、超强的力学性能、优异的导电性和负载能力吸引了科学界的广泛关注和研究，被认为在微纳电子器件、能量储存、高强度材料等领域有着广泛的应用前景；尤其是其在微纳电子器件领域，有望成为新一代的核心材料。

为了将应用前景转化为现实成果，人们不断探索石墨烯的制备与加工方法。目前常用的方法主要可分为物理法和化学法两大类，以微机械剥离法为代表的物理方法在制备完整晶格的石墨烯方面具有优势，却因效率低下无法实现工业化生产。化学方法制备石墨烯尤以氧化还原法为主，通过制备氧化石墨烯可对其进行溶液加工，再经还原得到石墨烯材料，但由于石墨烯表面电位较低，表面斥力减小，容易产生不可逆团聚，影响石墨烯的保存和使用。而在器件的应用中，薄膜的应用范围较广，因此，有必要探索一种更加简单易行的氧化石墨烯膜和石墨烯膜的制备方法。

Langmuir-Blodgett膜(简称LB膜)是一种超薄的有机薄膜，其单层厚度只有零点几到几纳米之间。在适当的条件下，不溶物单分子层可以通过特定的方法转移到固体基底上，并且基本保持其定向排列的分子层结构。这种技术是20世纪二三十年代由美国科学家I.Langmuir及其学生K.Blodgett建立的一种单分子膜制备技术，它是将兼具亲水头和疏水尾的两亲性分子分散在水面上，经逐渐压缩其水面上的占有面积，使其排列成单分子层，再将其转移沉积到固体基底上所得到的一种膜。根据此技术首创者的姓名，将此技术称为Langmuir-Blodgett膜组装技术或方法(可以简称为L-B技术)。通常认为石墨烯氧化物并不具备两亲性，而L-B技术要求所用材料须是两亲性分子，这使得L-B技术在氧化石墨烯或石墨烯成膜方面的应用受到极大制约。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服目前氧化石墨烯膜和石墨烯膜的制备方法缺陷和不足，提供一种更加简单易行、成本低廉的氧化石墨烯膜和石墨烯膜的制备方法，和按照该方法所制备的氧化石墨烯膜和石墨烯膜，以及所述石墨烯膜的应用。

本发明提供了一种制备氧化石墨烯膜的方法，所述方法包括：

1)采用常规方法由石墨制备氧化石墨的水溶液或有机溶剂溶液。

2)向所述氧化石墨的水溶液或有机溶剂溶液中加入有机溶剂或水，进行第一次超声处理和第一次离心处理，取固体，然后向所述固体中加入由水和有机溶剂组成的混合溶剂，进行第二次超声处理和第二次离心处理，取上清液，即为氧化石墨烯溶液。

3)采用Langmuir-Blodgett方法将所述氧化石墨烯溶液滴加在水面上，使水-空气界面上形成氧化石墨烯膜，然后将所述氧化石墨烯膜转移至基底上。

本发明中，由于氧化石墨或氧化石墨烯的直径一般为100～300nm左右，大于1.0nm，因而将其称之为氧化石墨的悬浮液或氧化石墨烯的悬浮液更加准确。但本领域技术人员通常将其称为氧化石墨溶液或氧化石墨烯溶液，因此本发明也按照本领域习惯将其简称为“溶液”。

所述氧化石墨溶液可以为氧化石墨的水溶液，也可以是氧化石墨的有机溶剂溶液。本发明对所述氧化石墨溶液的制备方法无特殊要求，采用现有技术方法制备即可。

例如，氧化石墨的水溶液的制备方法可以选用常规的Hummers方法进行制备。如，将石墨与硝酸钠混合均匀，加入浓硫酸，在冰水浴中搅拌至温度降至10℃以下，分多次加入高锰酸钾，搅拌数天，期间可适当补加浓硫酸使体系处于可搅拌的状态，然后加入去离子水及双氧水水溶液进行搅拌，再使用去离子水多次离心洗涤，可制得氧化石墨的水溶液。详细操作步骤可以参见文献：Hummers，W.S.Offeman，R.E.Preparation of Graphene Oxide.JACS，1958，80(6)，1339-1339中所公开的方法进行制备。