[发明专利]一种硼酸根离子交联的导电石墨烯纸的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯纸技术领域，具体涉及一种硼酸根离子交联的导电石墨烯纸的制备方法。

背景技术

氧化石墨烯是具有单原子层厚度的石墨烯的衍生物，通常被用作制备石墨烯的前驱体，而最近由于其自身独特的性质成为当今的研究热点之一。氧化石墨烯具有生产成本低，容易规模化生产，极易溶入水等极性溶剂，极好的加工性能等特性；同时具有良好的机械性能和化学性能。氧化石墨烯的面内和边界上均有共价键结合的大量含氧官能团，具有sp²和sp³杂化碳原子结构，可以通过控制其尺寸、形状和sp²杂化区域的相对比例进一步调制其光电子性质，也可以通过共价或非共价修饰作用把氧化石墨烯转变为光、电活性材料；另外，氧化石墨烯还可以与其他功能材料混合或者复合从而获得具有超凡功能性材料。

为了尽快实现石墨烯的功能化应用，利用微纳米级的氧化石墨烯薄片构建宏观尺度的二维多功能石墨烯基材料(如石墨烯薄膜和石墨烯纸等)引起了科技工作者的广泛研究兴趣。但是，宏观尺度的石墨烯基材料往往不具备微观尺度的石墨烯的优异性能是制约其广泛应用的瓶颈，尤其是宏观石墨烯基材料的导电性能。广大科技工作者为了提高宏观石墨烯材料的导电性能付出了巨大努力。目前，宏观二维石墨烯基材料的制备方法主要有如下几种：1.化学气相沉积法，这种方法一般是在高温条件下以铜为基底沉积碳或以镍为基底渗析碳来制备单层或多层石墨烯，产品结晶性能好，导电性能较好，但需要特殊的设备，成本较高，实际应用受到极大的限制。2.氧化石墨烯层层组装，此类方法通常以改进的Hummers法制备的微纳米级氧化石墨烯片为原料，通过蒸发自组装、过滤自组装、提拉、旋涂等方法来制备膜状结构，一般需要用化学还原剂(如水合肼、柠檬酸、维生素、硼氢化钠等)还原氧化石墨烯恢复石墨烯材料的导电性能，有毒化学试剂的使用或是导电性能达不到要求限制了进一步的应用。另外，还可以在惰性气体保护下高温加氢气还原，或者直接加热还原恢复导电性能，但是高温加热可能损害膜状结构的完整性。3.石墨烯或氧化石墨烯掺杂修饰后组装，一般在需要高温和特殊的设备，导电性质可以控制调节，但是不易规模化生产，因此实际应用同样受到制约。4.离子或分子交联氧化石墨烯组装，通过在氧化石墨烯的水溶液中加入一定量的金属离子，如Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺，或者分子(如多巴胺、乙二胺、聚酰亚胺、聚乙烯吡咯烷酮)等交联后，再过滤组装形成二维石墨烯基材料，这种材料的机械性能有了显著的增强，但是导电性能仍然达不到要求。

发明内容

本发明目的是提供一种硼酸根离子交联的导电石墨烯纸的制备方法，以解决现有技术的不足。

本发明采用以下技术方案：

一种硼酸根离子交联的导电石墨烯纸的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、以石墨粉为碳源，采用改进的Hummers法制备氧化石墨，并在去离子水中超声剥离得到氧化石墨烯水溶胶；

步骤二、在步骤一制备的氧化石墨烯水溶胶中加入氢氧化钠溶液调节pH至10～12，之后加入硼酸，硼酸和氧化石墨烯的质量比为0.1～2:50，在搅拌条件下加热至80～90℃，保温3～5h，后自然冷却，分离，洗涤，超声分散于去离子水中，得到均匀分散的硼酸根离子交联的还原氧化石墨烯水溶胶；

步骤三、将步骤二制备的硼酸根离子交联的还原氧化石墨烯水溶胶通过微孔滤膜过滤层层自组装得到硼酸根离子交联的导电石墨烯纸，自然晾干后，从微孔滤膜上剥离下来。

步骤一所述氧化石墨烯水溶胶的浓度为2～5mg/mL。

步骤二所述硼酸根离子交联的还原氧化石墨烯水溶胶的浓度为1～5mg/mL。

步骤三所述微孔滤膜为混合纤维素酯微孔滤膜，直径为50～80mm,孔径为0.22μm或0.45μm。

本发明的有益效果：

1、本发明中涉及在80～90℃时的加热过程和室温下的微孔滤膜过滤过程，操作过程方便简单，容易控制，成本低廉，易于规模生产；

2、本发明在氧化石墨烯溶胶中加入氢氧化钠溶液不仅可以调节溶液的pH值为10～12，而且可以在加热过程中充当还原剂除去部分含氧官能团；硼酸加入碱性混合液中形成的硼酸根离子充当交联剂，通过硼酸根离子与氧化石墨烯上面的含氧官能团之间的交联作用来修补氧化石墨烯片中存在的缺陷，进一步去除含氧官能团，增强导电性能；