[发明专利]石墨烯材料的制备方法、石墨烯材料及其应用

说明书

本发明公开了石墨烯材料的制备方法、石墨烯材料及其应用，涉及石墨烯技术领域。石墨烯材料的制备方法包括：以羧甲基壳聚糖为原料，采用激光诱导的方法进行制备。通过以羧甲基壳聚糖为原料，采用激光诱导的方法制备石墨烯材料，相对于现有的两种富含碳的材料进行制备的方法具备以下优点：(1)原料可生物相容、可生物降解，不会对环境造成污染；(2)不需要任何化学处理，如不需要阻燃处理；(3)易于成膜，应用范围广泛；(4)由于石墨烯材料优异的导电导热性能，还可以在芯片三维集成、先进封装材料制备、5G射频芯片封装等领域得到应用。

技术领域

本发明涉及石墨烯技术领域，具体而言，涉及石墨烯材料的制备方法、石墨烯材料及其应用。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种二维层状结构的碳材料，是块状石墨晶体经过一定处理后得到的单层石墨片，由英国曼彻斯特大学物理学家Andre.K.Geim和他的学生Konstantin.S.Novoselov于2004年通过机械剥离法首次发现。它的结构由具有sp²杂化的碳原子组成，呈现出含正六边形的蜂窝状二维平面，结构中碳原子的连接方式与零维富勒烯、一维碳纳米管和三维石墨等碳材料是相同的。石墨烯中的C-C键长约为0.142nm，单层石墨烯厚度约为0.35nm。由于石墨烯具有独特的二维平面结构，其在电学、热学、光学和力学等方面具有十分优异的性能，也使得它在电子信息、航空航天、节能环保、生物医学、储能设备、能源与热管理等各个方面都具有十分广阔的前景，被称之为“新材料之王”。严格意义上的石墨烯是单层结构，但是在实际应用中，少层石墨烯也经常表现出优异的工程性能，因此，行业内的基本共识是，10层甚至更厚的结构都统称为石墨烯材料。在这些材料中，三维多孔石墨烯具有高表面积，同时还保持有高的电子迁移率和机械稳定性，被广泛应用于超级电容器、传感器、催化、环境修复和气体吸附等众多的领域。

传统的三维多孔石墨烯结构制作方法主要将氧化石墨烯(GO)组装到泡沫中。然而，这种方法需要通过其氧化酸合成路线来制备氧化石墨烯前体材料。此外，在多孔基底上的化学气相沉积(CVD)也可以生产三维多孔石墨烯，但高温条件以及随后的蚀刻和干燥过程可能会阻碍其规模化生产。

近期，一种简便、可扩展的方法被开发出来，即激光雕刻富含碳的衬底得到三维多孔石墨烯，这种产物也被称为激光诱导石墨烯(LIG)。具体流程是，在一定条件下(如空气、氩气、氮气等)，通过商用CO₂红外激光雕刻机对含碳的前体材料(如：聚酰亚胺((PI))在一定激光功率下进行照射，经过光化学和热化学等过程，含碳的前体材料转变为LIG，而其他部分以气体形式散发出去，气体的产生同时也促进了LIG三维多孔结构的形成。由于CO₂红外激光器是一种在机械车间常见的工具，因此，与传统的3D石墨烯合成方法相比，这种一步法制得激光诱导石墨烯(LIG)的方法具有明显的优势。

与激光还原石墨烯方法(激光将GO薄膜还原为石墨烯)相比，激光诱导的方法避免使用GO前体材料简化了工艺流程，降低了成本。特别地，这种方法可以通过电脑程序设计，可以将一步法得到的LIG进行图案化，极大地促进了三维多孔石墨烯在超级电容器和传感器等电子器件方面的应用。

目前，能用于制备LIG的前体材料都是富含碳的材料，主要有两大类，一类是以PI为代表的聚合物塑料，另一类是富含纤维素或者木质素的材料(比如木头，纸，面包，甚至土豆)。然而，前者的价格比较昂贵而且容易对环境造成污染；后者由于材料燃点较低，在激光照射前经常需要进行阻燃处理。此外，纤维素和木质素溶解性极低，不易制成膜，一定程度上限制了激光诱导石墨烯的应用。因此，探索新的LIG前体材料仍然是重要的课题。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供石墨烯材料的制备方法、石墨烯材料及其应用，旨在不需要任何化学处理的前提下制备石墨烯材料，同时还具有可生物相容、可生物降解的优点。

本发明是这样实现的：