[发明专利]氧化石墨烯薄膜的固-液界面自组装制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化石墨烯薄膜的固-液界面自组装制备方法，属于氧化石墨烯膜的制备技术领域。

背景技术

石墨烯在2004年被英国曼彻斯特大学的研究组发现(Science，306，DOI：10.1126/science1102896http://dx.doi.org/10.1126/science.1102896)，这种二维碳原子晶体是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp²杂化碳的基本结构单元，是目前碳质材料和凝聚态物理领域的研究热点之一。石墨烯具有非常广阔的应用前景，它的奇特性质提供了良好的物理实验平台，还是制造纳米电子器件机高频晶体管和单电子晶体管的最佳材料，在显微滤网和超导方面也有很广阔的应用前景。

基于石墨烯(氧化石墨烯)片层组装的石墨烯(氧化石墨烯)薄膜是其应用于宏观场合的重要形态。在锂离子电池负极材料、超级电容器、透明导电膜和导热膜方面也有广泛的应用前景。

目前，石墨烯基薄膜的制备方法主要是基于依靠化学法从石墨晶体或氧化石墨烯获得的石墨烯片层的二维组装。如过滤法、电泳沉积法、化学气相沉积法、含碳单晶外延法、Langmuir-Blodgett自组装成膜法等。Dikin等(Nature，448，(2007)：DOI：10.1038/nature06016)通过真空微滤氧化石墨胶状悬浮液制备氧化石墨烯薄膜，将一定浓度的氧化石墨烯溶蔽用多孔型阳极氧化铝膜进行过滤，然后将滤膜截留物在空气中自然干燥，即可获得自由无支撑的氧化石墨烯薄膜。成会明等(AdvancedMaterials，21(2009)：DOI：10.1002/adma200802560)采用电泳沉积方法制备出表面均匀致密且含有丰富边界突起的单层石墨烯薄膜。Hong等(Nature，457，(2009)：DOI：10.1038/nature07719)采用化学气相沉积法制备石墨烯薄膜，先在硅衬底上添加一层300nm厚的镍，然后，于1000℃下通入甲烷气体进行化学气相沉积，这一过程能够在镍层的上部沉积出6或10层石墨烯。用制作镍层图形的方式，能够制备出图形化的石墨烯薄膜，而且可以用如下两种方法将这些薄膜转移到柔性衬底上的同时不对薄膜的质量造成损坏：一是把镍用溶剂腐蚀掉以使石墨烯薄膜漂浮在溶液表面，进而把石墨烯转移到任何所需的衬底上；另外一种方法就是用橡皮图章式的技术转移薄膜。但上述这些方法所需工艺及设备均较为复杂，并且成膜速度较慢，限制了石墨烯膜的大量制备。

机械剥离氧化石墨法是实现石墨烯大量制备的一种可行途径，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法及电化学氧化法等。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。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0.6-1.1nmLerfA.etal.J.Phys.Chem.Sol.67，(2006)：DOI：10.1016/j.jpcs.2006.01.031)，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了良好的基础。

本实验室采用低温制备方法(中国专利申请号200810151807.X)，能够大批量制备高纯度的氧化石墨片层。所制备的氧化石墨片层的大量含氧官能团使其在水中的溶解度可达到30mg/ml，能够用于高浓度、稳定的氧化石墨片层水溶胶的大量制备。

自组装法是建立在静电相互作用原理基础上，不借助外部作用力，通过弱的非共价键(如氢键、范德华力和弱离子键)及官能团之间的协同作用使纳米粒子或大分子连接在一起，自发地在基体或界面有序排布，形成宏观材料。