[发明专利]石墨烯-无机材料复合多层薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜材料的制备，特别是一种石墨烯-无机材料复合多层薄膜及其制备方法，具体说是一种制备石墨烯-无机材料复合多层薄膜的方法。

背景技术

多层薄膜材料，就是在一种材料的薄膜上再通过一定方法获得另一种材料的薄膜，同样地，可获得多层薄膜材料。1991年由法国斯特拉斯堡路易斯博斯卡大学的Decher首先提出了纳米多层涂层，他将带正电的聚合物和带负电的聚合物由静电的作用组成两层薄膜材料，每层薄膜材料只有几纳米甚至更薄。此后，多层薄膜材料的研究进展很快。由于各层材料的电、磁及化学性质各不相同，从而使多层薄膜材料拥有奇异的性质，可以广泛应用于防腐涂层、燃料电池、微型传感器、膜分离装置、生物材料、药物输送、光电器件、燃料电池、干电池电极、选择性过滤膜以及微型电化学装置等。

石墨烯(Graphene，或称单层石墨)是指紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的单层碳原子，它是构建其他维数石墨材料(如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨)的基本单元。科学研究发现，石墨烯具有优异的电学性能，其室温电子迁移率可达10,000cm²V^-1s^-1；具有优异的力学性能，其拉伸强度和杨氏模量分别可达130GPa和1TPa，是目前发现的强度最高的材料；其热导率可达5000W/m.K，是室温下纯金刚石的三倍，高于目前公认的热导率最高的碳纳米管。此外，研究发现石墨烯具有透光性及气体不可渗透性。石墨烯材料的优异性能使得它在很多领域，包括纳电子器件、探测单个气体分子的超灵敏化学传感器、液晶器件，以及复合材料、透明导电膜、电池和电容器、场发射等领域具有很好的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯-无机材料复合多层薄膜及其制备方法。该石墨烯-无机材料多层薄膜材料不仅能充分利用石墨烯及其他无机材料自身的性质，并且由于每层具有不同的电、磁以及化学性质，层与层之间不同材料又存在相互作用，因此该多层薄膜材料能表现出很多独特的性质，可广泛应用于化学及生物传感器、电磁屏蔽及吸波材料、增强增韧材料、电池电极、电容器、场发射、膜分离装置、生物材料等。本发明制备方法操作过程简单，实用性强。

本发明提供的一种石墨烯-无机材料复合薄膜为多层薄膜，每层膜厚在10nm-2mm，它是以石墨烯和无机材料为原料，按照石墨烯和无机材料的质量比1～100:1～100，通过涂覆的方法在基板上或直接在器件表面涂覆叠加成膜。

所述的无机材料是金属、无机非金属材料中的至少一种。

所述的无机材料是氧化钛、镍磷(非晶态)合金、铂、SiO₂/ZrO₂。

本发明所述的石墨烯材料是指分子骨架由六边形晶格排列的单层石墨原子组成，且经过功能化而得到的含有丰富有机官能团的二维平面材料，其厚度分布在0.34到3nm之间，平均直径在10nm到20μm之间。

所述的有机官能团是羧基、羟基、环氧键、磺酸基、苯基异氰酸酯、噻吩、吡咯、苯胺和/或含6到18个碳的长链烷基官能团至少一种。所含有机官能团的摩尔百分比为10％～30％。并且所含官能团的不同，石墨烯材料可以在水或其他有机溶剂中溶解，因此可配成一定浓度的溶液。含有羧基、羟基、环氧键、磺酸基等有机官能团时，石墨烯在水中具有好的溶解性；含有磺酸基、苯基异氰酸酯、噻吩、吡咯、苯胺、长链烷基等官能团时可以很好的溶于有机溶剂中。

所述的有机溶剂包括甲醇，乙醇，异丙醇，丙酮，乙酸乙酯，氯仿，四氯化碳，四氢呋喃，N，N-二甲基甲酰胺，二甲基亚砜，苯，甲苯，二甲苯，氯苯，二氯苯，三氯苯。

本发明提供的石墨烯-无机材料复合薄膜的制备方法包括以下步骤：

1)将石墨烯加入水或有机溶剂中，经超声波处理0.5-2小时，使石墨烯分散或溶解，得到石墨烯溶液；

2)将石墨烯溶液通过涂覆方法涂覆在预制好的基板上或器件表面成膜，洗涤，干燥；

3)将无机材料或其前躯体充分溶于相应的水和/或有机溶剂中制成均匀溶液或溶胶，通过涂覆方法在上述的石墨烯薄膜表面成膜，洗涤，干燥，热处理；

重复2)-3)步骤，进行循环涂覆，层层叠加，直到达到所需层数，再经过热处理即可得到基于石墨烯材料的多层薄膜材料；或通过预先在基板上旋涂一层聚合物牺牲层，并在制备过程结束后，用溶剂将牺牲层溶掉可以得到独立的多层薄膜材料。

所述的石墨烯的水溶液或有机溶液的质量百分比浓度为5％-75％。

所述的涂覆方法包括喷涂、旋涂、浸渍、化学沉积。