[发明专利]电泳沉积法制备石墨烯透明导电薄膜

说明书

技术领域

本发明属于碳材料制备领域，具体涉及到一种利用电泳沉积法制备石墨烯透明导电薄膜的方法。  

背景技术

作为光电子器件的重要组成部分，透明导电薄膜在液晶显示器（LCD）、有机太阳能电池、有机发光二级管（LCD）等领域有着广泛的应用。氧化铟锡（ITO）凭借其高电导率和透光性，已经成为当今主要的透明导电薄膜材料。然而由于ITO的制备费用高昂及原材料稀缺和价格的持续上涨，同时ITO的脆性还使其无法满足一些新应用的性能要求，因此，亟需开发ITO的替代材料。

石墨烯良好的导电性和透光性使其在透明导电薄膜方面有着良好的应用前景。与ITO材料相比，石墨烯拥有更高的强度和更好的韧性，用作透明导电薄膜，能够制成可以弯曲折叠的显示器件。

目前，石墨烯透明导电薄膜的制备方法主要有：CVD法和基于氧化石墨烯或石墨烯分散液的方法。CVD法可以获得结构较完美的高质量石墨烯，然而CVD法仍存在对设备要求较高等缺陷。基于氧化石墨烯或石墨烯分散液为原料制备透明导电薄膜的方法，因方法成本较低，适用性较强等，可以满足不同领域的应用需求。

目前，基于氧化石墨烯或石墨烯分散液制备石墨烯导电薄膜的方法主要有：电泳沉积法、层层组装法、真空抽滤法、旋转涂覆法、喷射涂覆法等。与其它方法相比，电泳沉积法具有操作简便、易于控制、成本较低、适于规模化制备等优点，但该方法目前仅有少量报道。

Lee等（Chem. Mater, 2009, 21(16): 3905-3916）采用电泳沉积法在导电基底上制得了平滑的石墨烯膜。制备途径包括两种：第一是利用机械剥离所得的氧化石墨烯的水分散液为原料，采用电泳沉积将氧化石墨烯沉积到铟锡氧化物涂覆的玻璃基底上，然后将其浸入水合肼的水溶液中，将所沉积的氧化石墨烯还原从而制得石墨烯薄膜；另一种则是先将氧化石墨烯还原，然后将还原所得的石墨烯电泳沉积到基底上。然而，该方法存在石墨烯片结构缺陷较多（还原不完全所致），等不足。Cheng等（Adv. Mater, 2009, 21(17): 1756-1760）采用化学剥离的方法在异丙醇溶液中剥离人造石墨从而制得石墨烯分散液，然后在其中加入Mg(NO₃)₂·6H₂O，通过Mg(NO₃)₂·6H₂O的电离，使石墨烯吸附Mg²⁺而带正电荷，以Mg²⁺吸附石墨烯悬浮液作为电解质，在电场作用下，带正电荷的石墨烯片朝阴极移动并有序地沉积至阴极表面，从而获得石墨烯薄膜。但该法仍存在荷电Mg²⁺难以从石墨烯薄膜上去除，导致薄膜透光率较差等问题。

针对上述电泳沉积法制备石墨烯导电薄膜的缺陷或不足，本发明的基本构思是：利用石墨粉液相超声剥离制备石墨烯分散液过程中，引入2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）作为制备石墨烯分散液的添加剂。AMP能够电离并吸附于石墨烯表面，吸附电荷产生静电斥力降低吸附堆叠趋势，从而提高石墨烯分散液的浓度。同时，由于AMP易于挥发，以该分散液为电解液电泳沉积所得石墨烯薄膜经烘干后，杂质含量少，薄膜透光性和导电性较好。具体工艺技术路线包括：用天然石墨粉为原料，以AMP/水/二甲基甲酰胺（DMF）体系为溶剂，采用液相超声剥离法制备高浓度石墨烯分散液。然后以所制得的分散液为电解液，采用电泳沉积法制备石墨烯薄膜，再将制得的石墨烯薄膜转移至玻璃或任意其他基底上。

发明内容

本发明利用一种非共价物理吸附的方式使石墨烯荷电，然后采用电泳沉积法制备石墨烯透明导电薄膜。

具体来讲本发明以天然石墨粉为原料，以AMP/水/DMF体系为溶剂，采用液相超声剥离法制备高浓度石墨烯分散液。然后以所制得的分散液为电解液，采用电泳沉积法制备石墨烯薄膜，再将制得的石墨烯薄膜转移至玻璃基底上。

其具体工序步骤如下：

1、石墨烯分散液的制备

量取0.1-0.2 mLAMP和0.08 mL去离子水加入到20 mLDMF中配置成AMP(0.5-1.0 vol.%)/水(0.4 vol.%)/DMF溶液并混合均匀。称量0.2-0.4 g石墨粉加入该混合溶液中，然后将其超声剥离24-30 h（超声功率72 W）。超声完成后，将悬浮液转入离心管中，然后用800型离心机于4000 rpm转速下离心90-120 min。最后用洁净的滴管取离心管上清液，静置待用。

2、电泳沉积所用电极的制备