[发明专利]超大面积高质量石墨烯薄膜电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电极材料的制备方法，特别是涉及一种超大面积高质量石墨烯薄膜电极的制备方法。

背景技术

目前，普遍使用的透明电极材料为氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜，其  透光率达90％，但由于材料中铟元素是稀贵金属，且ITO薄膜的生长需要高真空度及较高温度，同时获得的ITO薄膜较脆，不易制成柔性电极。近年来，发现的石墨烯是一种单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状结构的碳质新材料，其导电率可与ITO媲美，透光率可达97％，且生产成本较低，不需高温、高压。已研究的石墨薄膜的制备方法主要有微机械剥离法、液相化学法、热解SiC法及化学气相沉积法等。其中，微机械剥离法、液相化学法所得石墨烯薄膜面积小，约数十平方微米，很难应用于透明电极中。热解SiC法成本高且由于SiC耐腐蚀，使获得的石墨烯薄膜难以转移，因而较难应用于透明电极领域。中国专利CN101285175A公开了一种化学气相沉积法制备石墨烯薄膜的方法，其步骤包括将带有催化剂的衬底放入无氧反应器中，使衬底温度达500～1200℃，然后向反应器中通入含碳物质，得石墨烯，最后进行纯化处理，除去催化剂。其中，催化剂是金属或金属化合物，含碳物质是一氧化碳、甲烷、乙炔、乙醇、苯、甲苯、环己烷和酞菁中的一种或其任意组合。本方法中带催化剂的衬底可用两种式获得，其一是将金属粉末或金属化合物粉末放在衬底上；其二是用化学气相沉积法、物理气相沉积法、真空热蒸镀法、磁控溅射法、等离子体增强化学气相沉积法和印刷法将金属或金属化合物附着在衬底上。采用前者方式所得衬底上的催化剂粉末颗粒小，其上形成的石墨烯面积小，难以通过附着有机胶体的方式实现石墨烯薄膜的转移。采用后者方式所得衬底上的催化剂晶粒小，质量差，其上形成的石墨烯薄膜质量差，且主要形成多层石墨烯薄膜，难以形成单层高质量石墨烯薄膜。且由于受基片尺寸和CVD反应器空间尺寸的限制，使生成的石墨烯薄膜面积小，从而大大限止了石墨烯的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种操作简单，易于控制，成本低，所得产品面积大、导电率高，透光率高的超大面积高质量石墨烯薄膜电极的制备方法。

本发明超大面积离质量石墨烯薄膜电极的制备方法其步骤如下：

1)将放置有金属箔片的螺旋型或S型石英槽置于反应器内，通入氢气1～1000Pa，加热至700～1000℃，保温0～60分钟，然后再通入碳氢化合物气体0.1～100000Pa，再保温1～60分钟，之后以5～100℃/分钟的速度降温至室温，关闭氢气和碳氢化合物气体，在金属箔片上得石墨烯薄膜。其中，金属箔片是铜箔片、镍箔片、铁箔片、钴箔片中的一种，其厚度一般为20～100微米；碳氢化合物气体是甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、甲醇、乙醇中的一种或一种以上任意比例混合物。

2)在石墨烯薄膜上通过旋涂或喷涂或流延或直接滴有机胶体，于80～180℃温度下烘1～20分钟，得有机胶体/石墨烯/金属箔片结合体。其中，有机胶体是光刻胶、电子蚀刻胶(PMMA)、聚酰亚胺中的一种。

3)将步骤2)所得产物浸渍于金属箔片腐蚀液中，除去金属箔片，得有机胶体/石墨烯结合体。其中，金属箔片腐蚀液为可溶解该种金属箔片的腐蚀液，其浓度按质量％计是10～40％水溶液。

4)用基片将步骤3)产物从金属箔片腐蚀液中取出，放入去离子水中，清洗后置于基片上，于80～180℃温度下烘1～20分钟，得有机胶体/石墨烯/基片结合体。其中，基片是透明塑料片、玻璃片、打印纸、硅片、二氧化硅片中的一种。

5)将步骤4)所得产物放入去胶溶剂丙酮、乙醇、异丙醇中的一种或一种以上任意比例混合物，除去有机胶体，取出，自然干燥，得附着于基片上的超大面积高质量石墨烯薄膜电极。其中，步骤4)所得产物可浸渍于去胶溶剂中除去有机胶体；也可以置于去胶溶剂的蒸汽中除去胶体。

为了降低石墨烯薄膜电极的电阻率，可进行多次转移，形成多层并联结构的石墨烯薄膜电极。其具体方法是用步骤5)所得产物重复进行步骤4)和步骤5)操作1～5次，便可得到附着在基片上2～6层石墨烯薄膜，从而得到附着在基片上的多层并联结构的超大面积高质量石墨烯薄膜电极。