[发明专利]一种在碳钢基体上电泳沉积石墨烯涂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电泳沉积石墨烯涂层技术领域。具体涉及一种在碳钢基体上电泳沉积石墨烯涂层的方法。

背景技术

石墨烯自从被发现以来就以其独特的结构和新奇而优异的性能受到了广泛的关注，已被成功用于太阳能电池、传感器、高性能纳米电子器件和复合材料等相关领域，同时在金属材料防腐蚀领域也表现出了很好的潜力。

首先，石墨烯良好的热力学稳定性和化学稳定性保证了在具有腐蚀和氧化性的气体或液体环境下服役的稳定性；其次，石墨烯具有对分子的不渗透性，能极好地隔绝外界具有腐蚀性分子的渗透，在金属基体与活性介质间形成物理阻隔层，极好地保护了金属基体；同时，石墨烯高的强度和良好的导电导热性及摩擦学性能，保证了石墨烯涂层对金属基体的影响可以忽略不计。因此，石墨烯将成为极其理想的防腐蚀性涂层。

石墨烯在金属防腐方面已有一些研究进展：

Sreevatsa等(SreevatsaS,BanerjeeA,HaimG.Grapheneasapermeableionicbarrier[J].ECSTrans,2009,19(5):259-264)通过一种快速机械剥离的方法将高定向石墨涂覆到钢的表面制成石墨烯薄膜涂层，通过电化学测试发现石墨烯薄膜涂层能在碳纳米管与金属间形成离子阻隔层提高了钢的耐腐蚀性，然而该方法工艺复杂，且石墨烯涂层存在较大缺陷等不足，对钢铁的防腐蚀效果并不理想。Chen等(ChenS,BrownL,LevendorfM,etal.Oxidationresistanceofgraphene-coatedCuandCu/NiAlloy[J].ACSNano,2011,5(2)：1321-1327.)研究了利用CVD法在纯金属Cu和Cu/Ni合金表面制备的石墨烯的抗氧化性能，但该方法存在着工艺成本较高，且CVD法难以直接应用于在钢基体表面形成性质良好的石墨烯涂层。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种成本低和操作简单的在碳钢基体上电泳沉积石墨烯涂层的方法，用该方法沉积的石墨烯涂层能提高碳钢基体的耐蚀性、表面的耐磨性和基体的导电导热性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

(1)按石墨烯纳米碎片︰浓盐酸的质量比为1︰(90～200)，将石墨烯纳米碎片置于浓盐酸中，搅拌30～50min，再将搅拌后的溶液抽滤，得到掺杂H⁺的石墨烯纳米碎片。

(2)按所述掺杂H⁺的石墨烯纳米碎片在N-甲基吡咯烷酮/乙腈混合有机溶剂中的浓度为5～30g/L，将所述掺杂H⁺的石墨烯纳米碎片置于N-甲基吡咯烷酮/乙腈混合有机溶剂中，超声处理10～30min，再磁力搅拌24～26h，得到分散后的石墨烯胶体溶液。

(3)以所述分散后的石墨烯胶体溶液为电解液，分别以Pt片为正极和以处理后的碳钢为负极，采用电泳沉积的方法在正负极间施加30～120V/cm的电场，电泳沉积30～90min；再将沉积了石墨烯涂层的碳钢基体真空干燥处理，即在碳钢基体上得到石墨烯涂层。

所述石墨烯纳米碎片的直径≤200nm，厚度≤5nm。

所述浓盐酸的浓度为10mol/L。

所述N-甲基吡咯烷酮/乙腈混合有机溶剂中N-甲基吡咯烷酮︰乙腈的体积比为1︰(2.5～9)。

所述处理后的碳钢的处理工艺是：先用砂纸进行打磨，再进行抛光处理，然后用乙醇和丙酮清洗干净。

所述真空干燥处理是将沉积了石墨烯涂层的碳钢基体先吹干，再置于真空干燥箱中于60～80℃条件下干燥22～24h。

本发明与现有技术方法相比，具有如下优点和有益效果：

1.本发明采用浓盐酸掺杂石墨烯纳米碎片，由于石墨烯表面的吸附作用和H⁺在石墨烯纳米碎片层间的掺杂作用使得石墨烯纳米碎片带上正电荷，吸附的电荷所产生的静电斥力降低了石墨烯纳米碎片的堆叠趋势；另外采用了N-甲基吡咯烷酮/乙腈体系的混合有机溶剂，其中N-甲基吡咯烷酮能促进石墨烯纳米碎片在混合有机溶剂中的分散，从而克服了乙腈对石墨烯纳米碎片分散不理想的弊端，同时乙腈自身具有较大的介电常数，使得混合有机溶剂不但提高了石墨烯纳米碎片的分散效果而且具有较大的介电常数，极大的提高了石墨烯胶体溶液的稳定性及导电性质；也使得在电泳沉积过程中沉积在碳钢基体表面上的石墨烯涂层均匀且致密。同时，N-甲基吡咯烷酮/乙腈在用于碳钢基体上的电泳沉积石墨烯涂层时不会对碳钢基体产生任何腐蚀性作用。