[发明专利]一种直立型石墨烯-高分子聚合物复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于石墨烯复合材料技术领域，尤其涉及一种直立石墨烯‑高分子聚合物复合材料，包括衬底、直立型石墨烯和高分子聚合物，所述直立型石墨烯生长于衬底表面，所述高分子聚合物固化成膜并均匀负载于直立型石墨烯表面和边缘。相对于现有技术，本发明提供的直立型石墨烯‑高分子聚合物复合材料，在脱离衬底的同时，保持直立型石墨烯的独特形貌和超大表面积，并利用其底部的平面石墨烯层。同时，高分子聚合物可对直立型石墨烯和表面负载的活性物质进行保护固化，增加材料使用寿命，此外，通过调节高分子聚合物薄膜的孔道结构，促进直立型石墨烯与外界的物质交换，提高反应效率。本发明还公开了一种直立石墨烯‑高分子聚合物复合材料的制备方法。

技术领域

本发明属于石墨烯复合材料技术领域，尤其涉及一种直立石墨烯-高分子聚合物复合材料及其制备方法。

背景技术

自2003年直立型石墨烯被成功制备以来，这种明星材料因其特殊的结构，易于工业化生产和卓越的性能受到人们的关注。这种无需粘结剂直接生长于衬底表面的材料，具有巨大的比表面积和微观机械强度。研究表明直立型石墨烯具有广阔的应用前景，如用于催化剂负载、生物传感器、储能、电化学电极，柔性电极、透明电极、加热、导热等领域。

但是，作为一种纳米材料，直立型石墨烯宏观上脆弱，怕刮、擦，不耐异物直接接触，甚至强气流、水流等都有可能摧毁其直立形貌和微观结构，大的表面积亦容易沾染微尘等各种污染物使活性物质丧失效用。此外，作为纳米材料直立型石墨烯原位生长于耐高温衬底表面，这些衬底材料往往厚重结实，若想保持直立型石墨烯独特的结构，必须依托于衬底，刮粉剥离等手段会破坏其结构。依托于衬底大大限制了直立型石墨烯的应用，在很多方面限制了其应用潜力。因此，对直立型石墨烯表面进行保护，避免直立型石墨烯片层与异物直接接触，减少与外界污染物接触机会，提高活性成分的保存率，从而显著拓展直立型石墨烯的应用场景，且提高寿命已经成为直立型石墨烯应用开发的硬性要求。此外，直立型石墨烯纳米结构如能脱离原位生长的衬底而存在就可以大大拓展其应用领域。

石墨烯的生产工艺可分为石墨膨化法、氧化还原法和化学气相沉积原位生长法三大类。其中化学气相沉积原位生长法是通过将碳源气体裂解，碳元素沉积为石墨烯，该法试产工艺能生长出少层或者单层石墨烯，无污染，杂质几乎为零。而通过等离子体强化化学气相沉积法生长出来的直立型石墨烯直立生长于衬底表面，具备很大的表面积和特殊的空间形貌，同时保持了平面石墨烯层，从未来石墨烯应用的发展趋势来看，随着工艺的改善与优化，这种直立型石墨烯，是传感器、催化、储能等行业的首选。

高分子聚合物有很多类别，普遍特点包括：可以制成微米或者亚微米级薄膜，具有一定强度和弹性，密度小、抗酸碱、柔软、透光性好，可以对直立型石墨烯进行良好的保护。同时，高分子聚合物薄膜可以对酶和催化剂等活性物质进行固化，使其不会轻易剥离脱落。在直立型石墨烯的应用中，除了要求有较好的保护层和对活性物质固化外，还需要保护层有一定的孔道结构，这样便于在直立型石墨烯和外界进行物质交换，比如在传感和储能领域的应用。而不同的高分子聚合物薄膜依不同的制成条件，孔道结构在一定范围内可控。如果将直立型石墨烯的片层嵌入到高分子聚合物薄膜中，制备出兼有防护支撑和固化活性物质，以及具有孔道输送功能的复合材料，将会一举多得。

有鉴于此，本发明旨在提供一种直立型石墨烯/高分子聚合物及其制备方法，使直立型石墨烯脱离其生长衬底的同时，保持其独特形貌和超大表面积，有效地利用原位生长时直立型石墨烯底层的平面石墨烯，并使其暴露。同时，利用高分子聚合物的薄膜更好地保护了直立型石墨烯脆弱的结构，对直立型石墨烯表面负载的活性物质亦可起到保护固化的作用，避免其脱落，增加了使用寿命。进一步地，通过调节、控制高分子聚合物薄膜的孔道结构，有利于直立型石墨烯与外界进行物质交换，提高直立型石墨烯的反应效率。

发明内容