[发明专利]一种基于石墨烯泡沫的低缺陷石墨烯薄膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯泡沫的低缺陷石墨烯薄膜的制备方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、各向异性氧化石墨烯冷冻泡沫的制备；步骤二、各向异性氧化石墨烯泡沫的制备；步骤三、还原氧化石墨烯薄膜；步骤四、石墨烯碳膜的制备；步骤五、基于石墨烯泡沫的低缺陷石墨烯薄膜的制备。本发明工艺简单，成本低廉，采用氧化石墨烯作为原材料，其片层面积较大并且可调，连续的片层结构降低了声子在传输过程的晶界散射，有利于热导率的提高。本发明可以制备石墨烯分散均匀、具有一定柔性的高导热、高力学强度的基于石墨烯泡沫的低缺陷石墨烯薄膜，适应现今科学技术的发展需求。

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，涉及一种基于石墨烯泡沫的低缺陷石墨烯薄膜的制备方法。

背景技术

石墨烯是继富勒烯、碳纳米管后的又一种稳定的纳米碳单质，是一种理想化的二维平面材料，具有优异的电学、力学和热学性能。自由电子在石墨烯上的传输不易发生散射，电子迁移率可以达到2×10⁵ cm/V•s，是硅中电子迁移率的一百多倍；其电导率高达10⁶S/m，是室温下绝佳的导电材料。石墨烯弹性模量高达1 TPa，断裂强度为125 GPa，室温热导率为5.3×10³ W/m·K，比表面积为2630 m²/g。石墨烯也具有优异的光学性能，单层石墨烯的可见光吸收率仅为2.3%，由此可根据薄层石墨烯的可见光透过率来估算出石墨烯的层数。另外，紫外光对石墨烯有刻蚀作用，随着紫外光照射时间的增加，石墨烯薄膜的结构不断被破坏，其可见光透过率和薄膜面电阻都在上升。这种二维的石墨烯薄膜除了具有高导电性和透过率之外，还展现出优异的化学稳定性和热稳定性，可作为太阳能透明电极的替代物。因此石墨烯在复合材料、催化材料、储能材料、高功能纳电子器件、气体传感器等领域具有相当大的应用价值，也吸引众多学者展开对石墨烯深入系统地研究。

石墨烯薄膜是石墨烯实现应用的宏观体之一，目前组装石墨烯薄膜所用的原材料包括石墨烯与氧化石墨烯。石墨烯具有良好的结晶性，通过机械剥离或 CVD 法制备的少层石墨烯缺陷含量少，具有优良的导热与导电性能，但石墨烯具有较大的比表面积，极易团聚，大大影响了石墨烯薄膜的均匀性与各项性能。因此在利用石墨烯制备石墨烯薄膜时常常需要对石墨烯进行改性或添加有机物分散剂来改善其分散性。石墨烯纳米片之间由于缺少有效的相互作用，只能通过片层间微弱的范德华力进行结合，大大降低了组装的石墨烯薄膜力学性能。石墨烯薄膜的另一种组装方式就是利用氧化石墨烯组装氧化石墨烯薄膜，再将前者进行还原得到石墨烯薄膜。氧化石墨烯含有丰富的含氧官能团，可在有机溶剂和水溶液中均匀分散，改善了石墨烯的分散性问题。氧化石墨烯作为原材料的另一优势是氧化石墨烯片层面积较大并且可调，连续的片层结构降低了声子在传输过程的晶界散射，有利于热导率的提高，另外由于氧化石墨烯片层上丰富的含氧官能团可以相互作用产生氢键、共轭大π键等较强的相互作用提高石墨烯薄膜的力学性能。

目前制备石墨烯薄膜材料常用的方法主要有化学气相沉积法（CVD）、真空抽滤法、自组装法、旋涂法、外延生长法、喷涂法、微机械剥离法、液相剥离法等，其中最早采用的就是化学气相沉积法，本质上属于原子范畴的气态传质过程，由它制备的薄膜结晶性好，杂质少，但受基底限制，无法提高厚度，且片层间无相互作用，使力学性能较差。真空抽滤法也是常用方法之一，一般采用微孔混合纤维膜或者是氧化铝滤膜来进行抽滤。这种薄膜质量较高并且厚度较薄，但该种方法耗时长，且受到抽滤设备的限制而无法制备大面积的薄膜。就目前来看，旋涂法是薄膜制备方法中较为常用和高效的方法，它一般置于平面基底上，在剪切力的作用下，制备出的薄膜十分均匀，且具有高度的取向性，但薄膜与基底难分离，且厚度受溶液浓度和旋涂机速度的影响较大。蒸发自组装法可大尺寸制备薄膜，有研究发现，氧化石墨烯分散液在较高温度条件下进行蒸发作用，其片层会在气—液界面成膜，但是干燥慢，实验所需周期长，并在蒸发过程中受丁达尔效应的影响，使薄膜片层尺寸不均匀，力学强度差。外延生长提供了高质量的多层石墨烯样品与其基底强烈相互作用，然而，这些组装的石墨烯薄膜由于差的层间结接触电阻和在剧烈剥离和还原过程中形成的结构缺陷而显示相对较差的性能。