[发明专利]一种微波还原法制备铁盐插层石墨烯褶皱薄膜

说明书

本发明提供一种微波还原法制备铁盐插层石墨烯褶皱薄膜。首先制备含氧基团层和三氯化铁交替插层石墨材料，放入水溶液中超声剥离，得到可分散在水中的三氯化铁插层氧化石墨烯，抽滤成膜，进行微波处理，得到铁盐插层石墨烯褶皱薄膜。本发明方法有效减轻石墨烯片层结构的破坏，三氯化铁均匀分布在石墨烯片层间，有效提高薄膜导电性，微波高效去除含氧基团与水，使薄膜内部产生大量褶皱，增加了薄膜的力学性能，本发明所述方法制备工艺简单，对设备的要求较低，适于工业或实验室操作，具有巨大的应用前景。

技术领域

本发明涉及石墨烯薄膜制备领域，尤其涉及一种微波还原法制备铁盐插层石墨烯褶皱薄膜。

背景技术

利用石墨烯制备的导电油墨、抗静电材料、导电防腐涂料等产品以石墨烯纳米片粉体材料作为主要导电物质，通过相互搭接构建导电通路使复合材料具有导电性。然而，其导电性与使用金属填料的产品相比还有很大差距，这主要是由于石墨烯纳米片的本征电导率略低而相互之间的接触电阻极高造成的。微观上，物质的电导率是其载流子浓度和迁移率的乘积，石墨烯的载流子迁移率为金属的10倍以上，而载流子浓度仅为金属材料的0.1％～1％，英国艾克赛特大学的Cracium教授介绍了利用氯化铁对石墨烯进行插层掺杂处理可以使石墨烯的导电性提高至原来的十倍以上，并且可以在常温及大气环境中长期保持稳定，表明利用氯化铁对石墨烯进行掺杂可以有效提高石墨烯纳米片的导电性。

文献已报道的氧化石墨烯还原方法主要分为两类：高温热还原法和低温化学还原法。高温热还原法需要较高的热处理温度，能源消耗大，而且在一些石墨烯薄膜的重要应用中，由于柔性的高分子基底不能承受高温，限制了这种还原方法的应用。化学还原法多使用有剧毒的肼类强还原剂，大量使用不仅影响操作人员的身体健康，而且会对环境造成严重污染，并且成本较高。微波还原法具有低成本、高效等优点，微波加热氧化石墨烯时，热从材料内部产生而不是从外部吸收热源，自身整体同时升温，热能利用率高，材料整体温度梯度很小，区别于其他常规加热方式。微波能量通过石墨化结构中π电子的移动转化为热能，将前驱体中的含氧官能团以及掺杂的物质快速分解成CO₂和H₂O气体，从而得到还原氧化石墨烯。但是，氧化石墨烯是一种碳氧数量之比介于2.1到2.9之间的黄色固体，石墨烯片层结构破坏严重会带来石墨烯薄膜导电性与力学性能等变差的问题。

褶皱石墨烯具有独特的褶皱结构，具有优良的拉伸性能，能提供较高的比表面积和介孔，结合石墨烯自身优点，使该材料有望成为柔性器件、过滤膜、高性能超级电容器与锂离子电池的电极材料，在平板显示、防腐蚀、电热材料、储能领域、工业催化领域均具有较好的应用前景。但是，现有的高褶皱石墨烯的制备方法主要是通过化学气相沉积或者干湿法转移，工艺复杂、耗能高，设备要求高，而且褶皱石墨烯技术报道的很少，需要发展一种有效的高褶皱石墨烯规模化制备方法。

发明内容

本发明提供一种微波还原法制备铁盐插层石墨烯褶皱薄膜，在高效制备石墨烯的同时，可以有效减小石墨烯片层的破坏，铁盐插层石墨烯片层间，提高材料导电性能，并通过微波分解薄膜内部含氧官能团还原氧化石墨烯，使掺杂的水变为气体，产生大量褶皱，增加薄膜的力学性能。

本发明采用如下技术方案：

一种微波还原法制备铁盐插层石墨烯褶皱薄膜，包括如下步骤：

(1)运用熔融盐法将无水三氯化铁与石墨混合加热制备二阶石墨插层化合物；

(2)采用氧化剂和浓酸对二阶石墨烯插层化合物进行氧化插层，得到含氧基团层和三氯化铁交替插层石墨的材料；

(3)将含氧基团层和三氯化铁交替插层石墨放入水溶液中超声处理，剥离含氧基团层得到可分散在水中的三氯化铁插层氧化石墨烯，抽滤成膜；

(4)对湿润的三氯化铁插层氧化石墨烯薄膜进行微波处理，得到铁盐插层石墨烯褶皱薄膜。