[发明专利]一种有序氧化石墨烯薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于一种薄膜材料的制备方法，具体地说涉及一种无支撑的有序氧化石墨烯薄膜的制备方法。 

背景技术

石墨烯(Graphene)是单原子厚度的二维碳原子晶体，为目前人工制得的最薄物质，它被认为是富勒烯、碳纳米管和石墨的基本结构单元(Geim，A.K.等.自然材料6，183(2007))。自由态的二维晶体结构一直被认为热力学不稳定，不能在普通环境中独立存在(Wallace，P.R.物理评论72，258(1947))。直至2004年，曼彻斯特大学Geim等(Novoselov，K.S.等.科学306，666(2004))采用微机械劈裂法从石墨上剥下少量石墨烯单片，实现了其在空气中的无支撑悬浮，才将这一量子相对论的“概念”材料转化为现实。研究发现，石墨烯具有特殊的电磁特性，例如，高电子迁移率(室温下σ_h＞15,000cm²V ^-1s^-1)(Geim，A.K.等.自然材料6，183(2007))，不会消失的导电率(4e²/h)，反常的量子霍尔效应，小的自旋轨道交互作用等；石墨烯具有极高的力学性能，并已被证实为目前世界上强度最大的物质(拉伸模量E≈1.01TPa和极限强度σ≈130GPa)(Lee，C.等.科学321，385(2008)；另外，石墨烯还具有高热导率((4.84±0.44)×10³～(5.30±0.48)×10³Wm^-1K^-1)(Balandin，A.A.等.纳米快报8，902(2008))和大比表面积(2630m²/g)(Stoller，M.D.等.纳米快报8，3498(2008))等优点。依托特殊的二维结构、高电/热导率、开关效应及低噪声等优点，石墨烯可广泛应用于单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件，石墨烯已被预言有可能成为替代硅的新兴半导体材料。 

目前，自由态石墨烯的制备方法主要有微机械劈裂法(Novoselov，K.S.等.科学306，666(2004))、外延生长法(Berger，C.等.科学312，1191(2006))和机械剥离氧化石墨法(Stankovich，S.等.炭素45，1558(2007))。其中，前两种方法由于成本高、可控性差，不适于石墨烯的大量制备，从而限制了石墨烯的规模化应用。而第三种方法通过对层状氧化石墨进行简单的超声处理或热膨胀剥离，可制 得大量氧化石墨烯溶胶或功能化石墨烯片。其原料氧化石墨(Graphite Oxide，GO)作为一种传统化工材料，制备工艺十分成熟，目前已发展出Brodie法、Staudenmaier法、Hummers法(Hummers，W.等.美国化学会志80，1339(1958))及电化学氧化法等(Peckett，J.W.等.炭素38，345(2000)；Hudson，M.J.等.材料化学7，301(1997))。 

一般认为，氧化石墨为准二维层状结构，氧化过程中，石墨烯片层键接了大量的羟基、羧基及环氧基等(Szabo，T.等.炭素44，537(2006))。由于这些官能团及层间水的支撑作用，原始石墨的晶格参数由0.335nm膨胀至氧化石墨的0.6～1.1nm(Lerf，A.等.固体物理化学67，1106(2006))，更利于实现氧化石墨烯的单片剥离及连续化制备；同时，官能团还赋予氧化石墨烯片优良的化学活性和浸润性能，并使其表面带上负电，能够在水中(或碱水中)形成纳米级分散，从而为氧化石墨烯的复合应用或纳米有序组装奠定良好的基础。 

2007年，美国西北大学Dikin(Dikin，D.A.等.自然448，457(2007))等通过真空微滤氧化石墨胶状悬浮液，实现了氧化石墨烯片瓦片式的定向流动组装，制成了高强、高模、轻质、厚度在5～30μm可控的韧性无支撑氧化石墨烯纸。这种新型薄膜材料既可以用作燃料电池的电解质或储氢材料、超级电容器和电池的电极、超薄型化学过滤器，也可以与聚合物或金属混合生产新的材料，用于飞机机身、汽车和建筑物等。但是，由于薄膜组装采用微滤方法，周期较长(依据所制纸厚度不同，从6～48h不等)，且所得薄膜面积受滤膜尺寸限制难以调控，因而大大限制了其规模化制备及应用。 

本发明的目的是克服已有技术中的缺点和不足，提供一种薄膜组装周期短，面积可控的无支撑氧化石墨烯薄膜的制备方法。 

本发明的制备方法，包括以下步骤：