一种纳米石墨烯导电薄膜的制备方法
【专利摘要】本发明公开一种纳米石墨烯导电薄膜的制备方法。即直接在有机溶剂中超声剥离石墨得到石墨烯分散液，再向所得的石墨烯分散液中添加有机胺盐，石墨烯会吸附添加的有机胺盐而带电荷，再采用电泳沉积法制备出石墨烯薄膜，然后通过加热处理可以有效的除去添加的有机胺盐，即得纳米石墨烯导电薄膜。本发明的纳米石墨烯导电薄膜制备方法，制备过程中没有引入其他缺陷，保留了石墨烯的二维结构，同时也保留了石墨烯各项优异性能，而且还避免了浓缩或者抽滤时的团聚问题。具有生产成本低、工艺简单、易规模化生产等特点。
【专利说明】一种纳米石墨烯导电薄膜的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米碳材料导电薄膜制备及电泳沉积领域，特别提供了一种纳米石墨烯导电薄膜的制备方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯即“单层石墨片”，是具有严格二维结构的碳素纳米材料。自从2004年发现以来，就引起了科研工作者的广泛关注。石墨烯具有优异的力学、电子、光学以及热学性质，在微电子、能量存储、催化、生物传感器等领域有极大的潜在应用价值。
[0003]石墨烯的制备方法主要有微机械剥离、化学气相沉积、氧化石墨还原法、有机合成法及外延生长法等。但这些方法都有一定的局限性，如无法制备大面积高质量石墨烯、氧化后缺陷太多、价格昂贵等(Progress in Materials Science 56 (2011) 1178 - 1271 )。2008年Hernandez等(Nanotechnol.2008, 3(9)，563 - 568)发现液相超声剥离石墨的方法可以制备高分散、无缺陷、能长时间稳定分散的石墨烯溶液，通过加热辅助的过程能提高石墨烯分散液的浓度及稳定性。由于在制备过程中没有引入缺陷，使得石墨烯在电学、光学、力学等方面的优异性能得以保持，且方法较为简便，成本低廉。但在后续纯化和转移的过程中容易引起石墨烯的团聚。
[0004]采用石墨烯分散液制备石墨烯薄膜的方法多样，通常有:过滤沉积法、旋转涂覆法、热喷涂法、滴覆法及液面自组装法等。电泳沉积法是通过石墨烯或氧化石墨对离子的吸附作用而使其带上相应的电荷，在电场的作用下定向移动到导电基体并在表面沉积的方法。
[0005]目前电泳沉积法使石墨烯带电荷的方式多是采用向氧化石墨烯溶液中加入无机金属离子盐，比如文献(.Adv.Mater.2009, 21，1756 - 1760)、(J.Mater.Chem., 2011，21，7548 - 7551)等。但是采用氧化石墨烯电泳沉积后得到的石墨烯存在一些问题，一是经过氧化还原的石墨烯引入了大量的含氧基团以及破坏了石墨烯的二维平面，二是添加的无机离子盐难以从石墨烯薄膜上除去，影响石墨烯性能。专利CN 102021633 A提出添加无机离子盐使石墨烯带电荷再电泳沉积到导电基地上，由此得到的石墨烯薄膜中含有的添加盐难以除去。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为了解决以往电泳沉积法制备的石墨烯薄膜含有氧化缺陷以及制备过程中使用的添加剂难以除尽的等技术问题，提供了一种纳米石墨烯导电薄膜的制备方法。即直接在有机溶剂中超声剥离石墨烯，再向所得的石墨烯分散液中添加含芳香基团的有机胺盐，石墨烯会吸附添加的有机胺盐而带电荷，再采用电泳沉积法制备出石墨烯薄膜，然后通过加热处理可以有效的除去添加的有机胺盐，即得纳米石墨烯导电薄膜。
[0007]本发明的技术方案
一种纳米石墨烯导电薄膜的制备方法，具体包括以下步骤:(1)、石墨烯分散液的制备
按石墨:有机溶剂I为lg:1Oml的比例，将石墨加入到有机溶剂I中，室温下，控制超声功率200W，预超声0.5-2h得到石墨分散液；
然后将上述所得的石墨分散液放入真空炉中在通氮气保护下以10°C /min的速率升温至400-800°C，保温l_4h，自然冷却至室温，得到溶剂插层的膨胀石墨；
将上述所得的溶剂插层的膨胀石墨再次加入到有机溶剂I中，配成固体含量为lg/L的溶液，控制超声功率200W，超声Ι-lOh，然后在4000r/min的转速下离心分离0.5_2h，上层清液即为石墨烯分散液；
上述所得的石墨烯分散液中石墨烯固含量为0.01-0.lg/L ；
所述的有机溶剂I为1-甲基-2-吡咯烷酮、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、丙酮或乙醇等；所述的石墨为石墨粉或天然鳞片石墨；
(2)、带正电荷石墨烯分散液的制备:
按有机胺盐:有机溶剂2为lg:1L的比例，将有机胺盐溶于有机溶剂2中得到有机胺盐溶液；
上面所述的有机溶剂2与步骤(I)中所述的有机溶剂I相同；
然后按质量比计算，即有机胺盐:步骤(I)所用的石墨为1: 10-10: I的比例，将上述所得的有机胺盐溶液加入到步骤(I)中所得的石墨烯分散液中，控制超声功率200W，超声10-30min,使石墨烯吸附有机胺根离子而带上正电荷即得带正电荷的石墨烯分散液；
所述的有机胺盐的分子式为R _NH+.,其中R为含有芳香结构的基团，X—为Cl—离
子、NO3-离子或SO/—离子等无机负离子，优选为苯胺盐酸盐、二苯胺盐酸盐或联苯胺盐酸盐等;
(3)、电泳沉积法制备纳米碳材料导电薄膜即石墨烯薄膜
在电泳沉积池中将步骤(2)所得的带正电荷的石墨烯分散液作为电泳沉积池的电解
液；
将铜、铝、不锈钢等金属导电极片或者是涂覆铜、铝、不锈钢等金属的导电材料作为电泳沉积池的正、负极极片进行电泳沉积，将带正电荷的石墨烯分散液中的石墨烯沉积到负极极片上；
所述的正、负极极片使用前用砂纸打磨抛光，去离子水洗净；
上述的电泳沉积过程控制正负极板间距为l_50mm，优选为10_15mm ;电泳沉积过程温度为40-120°C，优选为60°C ;沉积时间为l_30min，优选为2_5min ；
(4)、通过加热处理除去有机胺盐
将步骤(3)所得的沉积到负极极片上的石墨烯薄膜在氮气或还原气体存在下，加热处理除去有机胺盐，即以10°C /min的速率升温至200-800°C，保温l_10h，优选为400_600°C，保温4h，然后自然冷却至室温，即得沉积有纳米石墨烯导电薄膜的负极极片；
所述的还原气体按体积百分比计算为氢0-10%的氮、氢混合气或含氢0-10%的氩、氢混
I=IO
[0008]本发明的有益效果
本发明的一种纳米石墨烯导电薄膜的制备方法，由于制备过程是将液相超声剥离同电泳沉积法结合，从而避免了氧化还原法制备石墨烯过程中大量含氧基团对石墨烯二维结构的破坏，即所得的石墨烯缺陷少。
[0009]进一步，本发明的一种纳米石墨烯导电薄膜的制备方法，由于制备过程中添加的有机胺盐使石墨烯带电荷，后续步骤中可以通过加热处理可以有效的除去添加的有机胺盐，获得的纳米石墨烯导电薄膜杂质含量低。
[0010]进一步，本发明的一种纳米石墨烯导电薄膜的制备方法，由于原料为廉价的石墨粉或天然鳞片石墨，且过程中无需其他昂贵试剂因此具有生产成本低的特点。
[0011]进一步，本发明的一种纳米石墨烯导电薄膜的制备方法，由于采用电泳沉积法，具有工艺简单、易规模化生产等特点。
[0012]综上所述，本发明的一种纳米石墨烯导电薄膜的制备方法，由于制备过程中没有引入其他缺陷，保留了石墨烯的二维结构，同时也保留了石墨烯各项优异性能，而且还避免了浓缩或者抽滤时的团聚问题。具有生产成本低、工艺简单、易规模化生产等特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1、电泳沉积池的结构示意图，其中I为直流电源、2为正极、3为负极、4为电泳池、5为电解液；
图2、实施例1、实施例2及对照实施例1中所用的负极极片铜箔表面的SEM图；
图3、实施例1中步骤(3)所得的沉积到负极极片铜箔上的石墨烯薄膜的SEM图；
图4、为实施例1中步骤(4)中所得的沉积到负极极片铜箔上的纳米石墨烯导电薄膜的SEM 图；·
图5、实施例2中步骤(3)所得的沉积到负极极片铜箔上的石墨烯薄膜的SEM图；
图6、为实施例2中步骤(4)中所得的沉积到负极极片铜箔上的纳米石墨烯导电薄膜的SEM 图；
图7、对照实施例1中步骤(3)所得的沉积到负极极片铜箔上的石墨烯薄膜的SEM图；图8、实施例1、2中所用的原料天然鳞片石墨的Raman光谱图；
图9、实施例1沉积到负极极片铜箔上的石墨烯薄膜的Raman光谱图；
图10、实施例2沉积到负极极片铜箔上的石墨烯薄膜的Raman光谱图。
【具体实施方式】
[0014]下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。
[0015]Raman光谱测试使用美国赛默飞世尔生产的拉曼光谱仪(型号DXR RamanMacroscopeX
[0016]本发明所使用的扫描电镜为日立生产的S-3400N扫描电子显微镜。
[0017]本发明所用的电泳沉积池的结构示意图如图1所示，其中I为直流电源、2为正极、3为负极、4为电泳池、5为电解液。
[0018]实施例1
一种纳米石墨烯导电薄膜的制备方法，具体包括以下步骤:
(I)、石墨烯分散液的制备
取0.1g过32目筛的天然鳞片石墨，加入IOmLl-甲基-2-吡咯烷酮，置于超声仪中，超声功率200W，预超声30min，得到初次超声处理的石墨分散液；
将上述所得的石墨分散液放入真空高温炉，通氮气保护，以10°C /min速率升温至600°C，保温2h后随炉冷却至室温，取出后再次加入IOOmL的1-甲基-2-吡咯烷酮，置于超声仪中，超声功率200W，再次超声lh，然后于4000r/min条件下离心lh，所得的上清液即为石墨烯分散液，其中石墨烯固体含量为0.02g/L ；
(2)、带正电荷石墨烯分散液的制备
按有机胺盐:1-甲基-2-吡咯烷酮为lg:1L的比例，将0.005g有机胺盐溶于5ml的1-甲基-2-吡咯烷酮中得到有机胺盐溶液；
所述的有机胺盐为苯胺盐酸盐；
然后按质量比计算，即有机胺盐:步骤(I)所得的石墨烯为5: I的比例，将上述所得的有机胺盐溶液加入到50ml步骤(I)中所得的石墨烯分散液中，置于超声仪中，超声功率200W，超声30min使石墨烯吸附有机胺根离子而带上正电荷即得带正电荷的石墨烯分散液；
(3)、电泳沉积法制备纳米碳材料导电薄膜即石墨烯薄膜
在电泳沉积池中将步骤(2)所得的带正电荷的石墨烯分散液作为电泳沉积池的电解
液；
采用电化学抛光的大小为3 X 3cm2的铜箔作为负极；
采用砂纸打磨洗净后吹干的不锈钢片作为正极； 控制正、负极片间距为15mm，直流电压60V，温度为60°C进行电泳沉积5min，即将带正电荷的石墨烯分散液中的石墨烯沉积到负极极片铜箔上；
(4)、通过加热处理除去有机胺盐
将步骤(3)所得的沉积负极极片铜箔上的石墨烯薄膜放入真空炉中通N2气保护，以IO0C /min的速率升温至400°C，保温4h以去除有机溶剂及共同沉积的有机胺盐后自然冷却至室温，即得沉积到负极极片铜箔上的纳米石墨烯导电薄膜。
[0019]对照实施例1
一种石墨烯薄膜的制备方法，具体包括以下步骤:
(I)、石墨烯分散液的制备石墨烯分散液制备过程同实施例1。
[0020](2)、带正电荷石墨烯分散液的制备:
取50mL (I)步骤所得的石墨烯分散液，向其中加入0.005gMg (NO3) 2.6Η20，置于超声仪中，超声功率200W，超声0.5h，得到带正电荷的石墨烯分散液；
(3)、电泳沉积法制备石墨烯导电薄膜
在电泳沉积池中将步骤(2)所得带正电荷的石墨烯分散液作为电泳沉积池的电解液；采用电化学抛光的大小为3 X 3cm2的铜箔作为负极；
采用砂纸打磨洗净后吹干的不锈钢片作为正极；
控制正、负极板间距为10mm，加直流电压60V，温度为40°C进行电泳沉积2min，即得到沉积到到负极极片铜箔上的石墨烯导电薄膜。
[0021]实施例2
一种石墨烯薄膜的制备方法，具体包括以下步骤:(1)、石墨烯分散液的制备
取0.1g天然鳞片石墨(过32目筛)，加入IOmLl-甲基-2-吡咯烷酮，置于超声仪中，超声功率200W，预超声30min，得到初次超声处理的石墨分散液；
将上述所得的石墨分散液放入真空高温炉，通氮气保护，以10°C /min速率升温至600°C，保温2h后随炉冷却至室温，取出后再次加入IOOmL的1-甲基-2-吡咯烷酮，置于超声仪中，超声功率200W，再次超声lh，然后于4000r/min条件下离心lh，所得的上清液即为石墨烯分散液，其中石墨烯固体含量为0.02g/L ；
(2)、带正电荷石墨烯分散液的制备
按有机胺盐:1-甲基-2-吡咯烷酮为lg:1L的比例，将0.005g有机胺盐溶5ml的1-甲基-2-吡咯烷酮中得到有机胺盐溶液；
所述的有机胺盐为联苯胺盐酸盐；
然后按质量比计算，即有机胺盐:步骤(I)所得的石墨烯为5: I的比例，将上述所得的有机胺盐溶液加入到50ml步骤(I)中所得的石墨烯分散液中，置于超声仪中，超声功率200W，超声30min使石墨烯吸附有机胺根离子而带上正电荷即得带正电荷的石墨烯分散液；
(3)、电泳沉积法制备纳米碳材料导电薄膜即石墨烯薄膜
在电泳沉积池中将步骤(2)所得的带正电荷的石墨烯分散液作为电泳沉积池的电解
液；
采用电化学抛光的大小为3. X 3cm2的铜箔作为负极；
采用砂纸打磨洗净后吹干的不锈钢片作为正极；
控制正、负极片间距为IOmm ;直流电压60V，温度为60°C进行电泳沉积2min，即将带正电荷的石墨烯分散液中的石墨烯沉积到负极极片铜箔上，即得沉积到负极极片铜箔上的石墨烯薄膜；
(4)、通过加热处理除去有机胺盐
将步骤(3)所得的沉积负极极片铜箔上的石墨烯薄膜放入真空炉中通N2气保护，以IO0C /min速率升温至600°C，保温4h以去除有机溶剂及共同沉积的有机胺盐后自然冷却至室温，即得沉积到负极极片铜箔上的纳米石墨烯薄膜。
[0022]上述实施例1、实施例2及对照实施例1中所采用负极极片铜箔的表面的SEM图如图2所示，从图2中可以看出铜箔表面平整。
[0023]上述的实施例1、实施例2及对照实施例1中分别采用苯胺盐酸盐、联苯胺盐酸盐及六水合硝酸镁作为添加盐，步骤(3)中所得的沉积到负极极片铜箔上的石墨烯薄膜的SEM图分别如图3、5、7所示。从图3、5、7中可以看到三种盐均可以使石墨烯发生沉积，但都会共同沉积上其他盐类。特别是对照实施例1所制备的石墨烯薄膜中含有金属镁离子形成的无机盐，很难通过后处理净化，使得石墨烯薄膜的导电性、透光性下降。
[0024]而实施例1、实施例2中采用苯胺盐酸盐、联苯胺盐酸盐作为添加盐并经过步骤
(4)的真空条件下的高温处理后所得的沉积到负极极片铜箔上的纳米石墨烯薄膜的SEM图如图4、6所示，与图3、5对比，可以看到，步骤(3)中共同沉积的有机胺盐通过步骤(4)的真空条件下的高温处理后已完全分解，即得到纯净的纳米石墨烯薄膜。
[0025]上述实施例1、实施例2中所采用的天然鳞片石墨和实施例1、2中步骤(4)所得的沉积到负极极片铜箔上的纳米石墨烯薄膜的Raman光谱图分别见图8、9、10。
[0026]从图8、9、10中均可以看到天然鳞片石墨原料和实施例1、实施例2中所得的沉积到负极极片铜箔上的纳米石墨烯薄膜均有三处特征峰，分别是位于1580cm—1的G峰，位于1350cm-1附近的D峰，以及位于2700cm-1附近的2D峰。
[0027]实施例1、实施例2所得的沉积到负极极片铜箔上的纳米石墨烯薄膜的Raman光谱图中，2D峰呈单峰，而原料天然鳞片石墨的2D峰有肩峰产生且峰位置向高波数方向偏移，这是石墨烯与石墨的最主要区别；
实施例1、实施例2所得的沉积到负极极片铜箔上的纳米石墨烯薄膜的Raman光谱图中的D峰远高于原料天然鳞片石墨的D峰，这是由于超声过程中石墨的有序结构被破坏，表明石墨片层被剥离；
实施例1、实施例2所得的沉积到负极极片铜箔上的纳米石墨烯薄膜的Raman光谱图中G峰存在肩峰，这也说明了石墨被剥离成独立的石墨烯。
[0028]通过2D峰可知在有机溶剂中直接剥离的石墨烯层数为1-10层，本发明的制备方法中的石墨烯没有经过氧化步骤，因此缺陷的D峰强度较低。另外，本发明采用电泳沉积的方法直接从有机溶剂分散的石墨烯溶液中将石墨烯沉积出来，避免了一般石墨烯浓缩、分离时的团聚问题，因此制备的石墨烯薄膜更能保留单层石墨烯的优良性能。
[0029]以上所述仅是本发明的实施方式的举例，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保·护范围。
【权利要求】
1.一种纳米石墨烯导电薄膜的制备方法，其特征在于具体包括以下步骤:(1)、石墨烯分散液的制备按石墨:有机溶剂I为lg:1Oml的比例，将石墨加入到有机溶剂I中，室温下，控制超声功率200W，预超声0.5-2h得到石墨分散液；然后将上述所得的石墨分散液放入真空炉中在通氮气保护下以10°C /min的速率升温至400-800°C，保温l_4h，自然冷却至室温，得到溶剂插层的膨胀石墨；将上述所得的溶剂插层的膨胀石墨加入到有机溶剂I中，配成固体含量为lg/L的溶液，控制超声功率200W，超声Ι-lOh，然后在4000r/min的转速下离心分离0.5_2h，上层清液即为石墨烯分散液；上述所得的石墨烯分散液固体含量为0.01-0.lg/L ；所述的有机溶剂I为1-甲基-2-吡咯烷酮、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、丙酮或乙醇；所述的石墨为石墨粉或 天然鳞片石墨；(2)、带正电荷石墨烯分散液的制备:按有机胺盐:有机溶剂2为lg:1L的比例，将有机胺盐溶于有机溶剂2中得到有机胺盐溶液；所述的有机溶剂2与步骤(I)中所述的有机溶剂I相同；然后按质量比计算，即有机胺盐:步骤(I)所得的石墨烯为1: 10-10: I的比例，将上述所得的有机胺盐溶液加入到步骤(I)中所得的石墨烯分散液中，控制超声功率200W，超声10-30min，使石墨烯分散液中的石墨烯吸附有机胺根离子而带上正电荷即得带正电荷的石墨烯分散液；所述的有机胺盐的分子式为n fcTU+ ,其中R为含有芳香结构的基团，X—为Cl—离R- NH!.x子、N03_离子或S042_离子；(3)、电泳沉积法制备纳米碳材料导电薄膜石墨烯薄膜在电泳沉积池中将步骤(2)所得的带正电荷的石墨烯分散液作为电泳沉积池的电解液；将铜、铝、不锈钢等金属导电极片或者是涂覆铜、铝、不锈钢等金属的导电材料作为电泳沉积池的正、负极极片进行电泳沉积，带正电荷的石墨烯分散液中的石墨烯沉积到负极极片上形成石墨烯薄膜；所述的正、负极极片使用前用砂纸打磨抛光，去离子水洗净；(4)、通过加热处理除去有机胺盐将步骤(3)所得的沉积到负极极片上的石墨烯薄膜在氮气或还原气体存在条件下，加热处理除去有机胺盐，然后自然冷却至室温，即得沉积有纳米石墨烯导电薄膜的负极极片。
2.如权利要求1所述的一种纳米石墨烯导电薄膜的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述的有机胺盐为苯胺盐酸盐、二苯胺盐酸盐或联苯胺盐酸盐。
3.如权利要求1所述的一种纳米石墨烯导电薄膜的制备方法，其特征在于步骤(3)电泳沉积所用的直流电压为40-60V ;正负极板间距为l_50mm ;电泳温度为40_120°C ;电泳时间为 l-30min。
4.如权利要求3所述的一种纳米石墨烯导电薄膜的制备方法，其特征在于步骤(3)电泳沉积所用的直流电压为60V ;正、负极板间距为10-15mm ;电泳温度为60°C ;电泳时间为2-5min。
5.如权利要求1所述的一种纳米石墨烯导电薄膜的制备方法，其特征在于步骤(4)中所述的还原气体为按体积百分比计算，即含氢0-10%的氮、氢混合气或含氢0-10%的氩、氢混合气。
6.如权利要求1所述的一种纳米石墨烯导电薄膜的制备方法，其特征在于步骤(4)中所述的通过加热处理除去有机胺盐，即以10°c /min的速率升温至200-800°C，保温l_10h。
7.如权利要求6所述的一种纳米石墨烯导电薄膜的制备方法，其特征在于步骤(4)中所述的通过加热处理除 去有机胺盐，即以10°c /min的速率升温至400-600°C，保温4h。
【文档编号】B82Y40/00GK103436938SQ201310348027
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月12日 优先权日:2013年8月12日
【发明者】张全生, 夏骥, 郭东莉, 李硕, 李海燕 申请人:上海应用技术学院