[发明专利]石墨烯和金属氧化物材料的自组装多层纳米复合材料

说明书

本申请是2009年8月10日提交的序列号为12/462,857的美国申请的分案申请，现在美国专利号为______________。

本发明在美国能源部授予的合约号为DE-AC0676RLO 1830的政府资助下作出。美国政府对本发明享有一定的权利。

技术领域

本发明涉及结合金属氧化物的石墨烯的纳米复合材料、使用这种材料的装置、形成结合金属氧化物的石墨烯的纳米复合材料的方法和使用这些材料的装置。更具体而言，本发明涉及结合金属氧化物的石墨烯的自组装多层纳米复合材料、使用这种材料的装置、形成结合金属氧化物的石墨烯的自组装多层纳米复合材料的方法和使用这些材料的装置。

发明背景

石墨烯通常描述一种以sp2结合的碳原子的单原子厚平面薄片，所述碳原子以蜂窝晶格紧密堆积。石墨烯中的碳碳键长为约0.142nm。石墨烯是一些碳同素异形体(包括石墨、碳纳米管和富勒烯)的基本结构元素。石墨烯具有独特的性质，如极高的强度和极高的导电性。本领域普通技术人员认识到，如果石墨烯材料能成功引入多种材料和装置而使其能利用石墨烯的独特性能，那么这些材料和装置的性能可以得到提高。因此，本领域普通技术人员认识到，需要新的制造石墨烯和并入了石墨烯的复合材料的方法。

石墨烯已经通过多种技术制备。例如，石墨烯可通过化学还原石墨烯氧化物而得到，如见于Gomez-Navarro，C.；Weitz，R.T.；Bittner，A.M.；Scolari，M.；Mews，A.；Burghard，M.；Kern，K.Electronic Transport Properties of Individual Chemically Reduced Graphene Oxide Sheets.Nano Lett.2007，7，3499-3503.Si，Y.；和Samulski，E.T.Synthesis of Water Soluble Graphene.Nano Lett.2008，8，1679-1682。

虽然上述方法示出的产物通常被描述为石墨烯，但是从这些材料的比容量可以清楚看出这些材料没有完全被还原，因为所得材料没有达到纯石墨烯的理论比容量。因此，至少一部分石墨烯没有被还原，所得材料包含至少一些石墨烯氧化物。在此所用的术语“石墨烯”应理解为涵盖了例如这些既包含石墨烯又包含少量石墨烯氧化物的材料。

例如，如McAllister，M.J.；LiO，J.L.；Adamson，D.H.；Schniepp，H.C.；Abdala，A.A.；Liu，J.；Herrera-Alonso，M.；Milius，D.L.；CarO，R.；Prud′homme，R.K.；Aksay，I.A.Single Sheet Functionalized Graphene by Oxidation and Thermal Expansion of Graphite.Chem.Mater.2007，19，4396-4404和Schniepp，H.C.；Li，J.L.；McAllister，M.J.；Sai，H.；Herrera-Alonso，M.；Adamson，D.H.；Prud′homme，R.K.；Car，R.；Saville，D.A.；Aksay，I.A.Functionalized Single Graphene Sheets Derived from Splitting Graphite Oxide.J.Phys.Chem.B 2006，110，8535-8539所示，通过石墨烯氧化物的热膨胀制得的功能化石墨烯片(FGS)已显示出具有10至500范围内的可调的C/O比例。在此所用的术语“石墨烯”应理解为既包含纯石墨烯又包含少量的石墨烯氧化物，如这些材料的情况。

此外，虽然石墨烯通常被描述为一种以蜂窝晶格紧密堆积的单原子厚平面薄片，但这些单原子厚平面薄片通常作为材料混合物(amalgamation)的一部分制备，因而常常包括了晶格具有缺陷的材料。例如，五角晶胞和七角晶胞可构成缺陷。如果存在单独的五角晶胞，那么平面会弯曲成锥形。同样地，单独的七角晶胞会使薄片变为鞍形。当使用现在已知方法制备石墨烯时，这些和其他的缺陷通常都是存在的。