专利名称：一种石墨烯金属混合电极材料、其制备方法及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种石墨烯导电材料,具体地说，涉及一种石墨烯金属混合电极材料、其制备方法及其应用。
背景技术：
目前在制备液晶显示器中，阵列基板和彩膜基板中透明导电层的主要原料是氧化铟锡(ITO)的金属氧化物。ITO可以提供高光学透明性以及相对良好的导电性。但与金、银等金属相比具有相对低的电导率。因此在应用于触摸屏、显示器、等离子显示器等领域时有一定限制。此外，ITO薄膜耐磨性较差，同时ITO的主要成分铟的成本较高，所以采用石墨烯金属混合电极等性能更加优异的光学薄膜已经成为趋势。
单层石墨烯是单原子层紧密堆积的二维晶体结构，其独特的电子结构决定了其优异的电学性能。其中碳原子以六元环形式周期性排列于石墨烯平面内。每个碳原子通过σ键与临近的三个碳原子相连，S，Px, Py，三个杂化轨道形成强的共价键，组成sp2杂化轨道，赋予石墨烯极高的力学性能。剩余的Pz轨道的电子在与平面垂直的方向形成π轨道，此π电子可以在石墨烯晶体平面内自由移动，从而使得石墨烯具有良好的导电性。且研究表明与小尺寸的金属网格状组合并不会影响到石墨烯电极的透明性。因此，可以利用石墨烯优良的导电性能及透明性，开发一种新的可替代氧化铟锡(ITO)的导电材料，用于制备液晶显示器用导电层。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种价格低廉、导电性好、透明性优良的石墨烯金属混合电极材料。本发明的另一目的在于提供该石墨烯金属混合电极材料的制备方法。本发明的再一目的在于提供该石墨烯金属混合电极材料用于制备液晶显示器导电层。为了实现本发明目的，本发明提供一种石墨烯金属混合电极材料，其为石墨烯单层纳米片与金属或金属氧化物的复合物。其中，所述金属优选采用铝，所述金属氧化物优选采用三氧化二铝。所述石墨烯单层纳米片与铝金属或三氧化二铝之间的重量比为1: (50-600)，优选为1: (100-400)。所述石墨烯单层纳米片由氧化石墨采用快速热剥离法或溶剂热法制备而成，以快速热剥离法为佳。本发明的石墨烯金属混合电极材料采用将石墨烯单层纳米片与金属材料通过超声和机械搅拌法进行相包覆和混合，以形成石墨烯单层纳米片与金属材料的复合物。本发明的石墨烯金属混合电极材料的制备方法，其包括如下步骤I)采用快速热剥离法或溶剂热法将氧化石墨处理成含石墨烯单层纳米片的石墨烯悬浮液；2)将所述含石墨烯单层纳米片的石墨烯悬浮液通过超声和机械搅拌法与金属材料进行复合，得复合物；3)最后经高温处理而成。具体地说，步骤I)中快速热剥离法为采用先将氧化石墨在850-1300°C热处理30-50秒，然后加入无水乙醇，80-120W超声波处理2-2. 5小时，得含石墨烯单层纳米片的石墨烯悬浮液。其中，氧化石墨与无水乙醇的重量比为1: (20-100)。步骤2)中超声和机械搅拌法为将所述石墨烯悬浮液加入到N-甲基-2-吡咯烷酮溶液中，在80-120W超声波下分散20-60min，加入含有Al3+与S042—的混合溶液搅拌5_10小时。 其中，所述石墨烯悬浮液中石墨烯与所述混合溶液中铝的重量比为1: (50-600)。步骤3)中所述高温处理将所述复合物中的溶剂去除，并最终使石墨烯单层纳米片与金属材料(金属或金属氧化物)形成导电网络。本发明采用超声和机械搅拌法可用保证金属材料与石墨活性物质的良好结合，且机械搅拌的方法可以避免石墨烯的分布不均匀和导电网络的不易形成。可以有效提高电极的电化学活性，有效降低电荷转移电阻。本发明的石墨烯金属混合电极材料可以作为导电电极用于液晶显示器的透明导电层用，比如阵列基板的像素电极、彩膜基板的静电屏蔽层。本发明的石墨烯金属混合电极材料在用于制备导电层时，可以采用如下方法制备I)在制备好其他各层的阵列(Array)基板或者FFS模式下基板上，将石墨烯金属复合物覆于基板上；2)然后在惰性气体的保护下，高温处理而成。在制备过程中，需先对基板进行清洗，包括药剂清洗、直水冲洗、气刀吹干等。步骤I)中采用浸溃法将石墨烯金属复合物旋涂于基板上。步骤I)中所述高温处理的温度为100_250°C。本发明的石墨烯金属混合电极具有以下优点1.采用的石墨烯单层纳米片具有高的导电率，大的纵横比，采用超声和机械搅拌法可用保证金属材料与石墨活性物质的良好结合，且机械搅拌的方法可以避免石墨烯的分布不均匀和导电网络的不易形成；可以有效提高电极的电化学活性，有效降低电荷转移电阻。2.石墨烯单层纳米片因其本身材料的性质和制备方法的优异，具备了更加透明的特性，通过与金属材料复合后形成导电网络，电子传导性更高。3.在与金属复合时，由于金属为纳米状态存在，故不会影响到电极的透明性。4.本发明石墨烯金属混合电极在具备性能优良的前提下，节省了目前采用溅射(Sputter)设备溅射ITO的工艺成本，降低了工艺和设备成本，可以用来代替液晶显示器的ITO导电层。
图1为本发明所述石墨烯金属混合电极制备方法的工艺流程图。
具体实施例方式以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本发明所述石墨烯金属混合电极材料为石墨烯单层纳米片与金属或金属氧化物的复合物。所述金属可采用在导电性和价格成本上均合适的金属，优选采用铝。所述石墨烯单层纳米片与铝金属或三氧 化二铝之间的重量比为1: (50-600)，优选为1: (100-400)。所述石墨烯单层纳米片由氧化石墨采用快速热剥离法或溶剂热法制备而成，以快速热剥离法为佳。由此获得的石墨烯单层纳米片具有高的导电率，大的纵横比。本发明的石墨烯金属混合电极材料的制备方法，其包括如下步骤I)采用快速热剥离法将氧化石墨处理成含石墨烯单层纳米片的石墨烯悬浮液；具体为采用先将氧化石墨在850-1300°C热处理30_50秒，然后加入无水乙醇，80-120W超声波处理2-2. 5小时，得含石墨烯单层纳米片的石墨烯悬浮液。其中，氧化石墨与无水乙醇的重量比为1: (20-100)。2)将所述含石墨烯单层纳米片的石墨烯悬浮液通过超声和机械搅拌法与金属材料进行复合，得复合物；具体为将所述石墨烯悬浮液加入到N-甲基-2-吡咯烷酮溶液中，在80-150W超声波下分散20-60min，加入含有Al3+与S042—的混合溶液，在500-1000转/分钟下搅拌5_10小时。N-甲基-2-吡咯烷酮溶液的加入量以保证石墨烯均匀分布为佳，优选石墨烯悬浮液与N-甲基-2-吡咯烷酮溶液的体积比为1: (1-5)。所述石墨烯悬浮液中石墨烯与混合溶液中铝的重量比为1: (50-600)。搅拌的速度为500-1000转/分钟。3)最后经高温处理将所述复合物中的溶剂去除，并最终使石墨烯单层纳米片与金属材料(金属或金属氧化物)形成导电网络，可用于导电层，其中高温处理温度为100-350。。。本发明的石墨烯金属混合电极材料可以作为导电电极用于液晶显示器的透明导电层用，比如阵列基板的像素电极、彩膜基板的静电屏蔽层。实施例1本发明石墨烯金属混合电极的制备过程如下I)取50g的氧化石墨，进行热处理，在1000°C的马弗炉中，快速热膨胀至30秒得到可剥离石墨，将制备得到的可剥离石墨加入5L的无水乙醇(相对于水的密度为O. 79)，IOOff的超声波处理2小时，得到石墨稀悬浮液(含石墨稀单层纳米片)。2)将上述石墨烯悬浮液加入5L N-甲基-2-吡咯烷酮溶液放入100W的超声波清洗机中分散30min，加入15L的含有Al3+与S042_的混合溶液(浓度为lOmol/L)，磁力搅拌(搅拌速度500转/分钟)5小时得到石墨烯金属复合物。3)对玻璃基板采用直水冲洗法进行清洗，在已经制备好其他各层的阵列基板的玻璃基板背面下，采用浸溃法将玻璃基板表面镀上石墨烯金属复合物。4)在惰性气体的保护下，300°C下高温处理，可在玻璃基板表面上得到石墨烯金属混合电极(石墨烯单层纳米片与铝复合物，重量比为1:160)，可以作为氧化铟锡(ITO)导电层的替代电极石墨烯金属铝混合电极。石墨烯金属混合电极具有更好的透明性和导电性，在具备性能优良的前提下，降低了工艺和设备成本。实施例2I)取IOOg的氧化石墨，进行热处理，在1300°C的马弗炉中，快速热膨胀至50秒得到可剥离石墨，将制备得到的可剥离石墨加入5L的无水乙醇，120W的超声波处理2. 5小时，得到石墨烯悬浮液。2)将石墨烯悬浮液加入8LN-甲基_2_ 吡咯烷酮溶液放入150W的超声波清洗机中分散40min，加入30L的含有Al3+与S042_的混合溶液(浓度为5mol/L)，磁力搅拌(600转/分钟)8小时得到复合物。3)对玻璃基板采用直水冲洗法进行清洗，在已经制备好其他各层的FFS模式下玻璃基板背面下，采用浸溃法将复合物涂在玻璃基板上。其他同实施例1得到石墨烯金属混合电极(石墨烯单层纳米片与铝复合物，重量比为1:81)。实施例3I)取50g的氧化石墨，进行热处理，在850°C的马弗炉中，快速热膨胀至50秒得到可剥离石墨，将制备得到的可剥离石墨加入2L的无水乙醇，80W的超声波处理2. 5小时，得到石墨烯悬浮液。2)将石墨烯悬浮液加入8L N-甲基-2-吡咯烷酮溶液放入80W的超声波清洗机中分散60min，加入15L的含有Al3+与S042_的溶液(浓度为20mol/L)，磁力搅拌(800转/分钟)8小时得到复合物。3)对玻璃基板采用直水冲洗法进行清洗，在已经制备好其他各层的FFS模式下玻璃基板背面下，采用浸溃法将复合物涂在玻璃基板上。其他同实施例1得到石墨烯金属混合电极(石墨烯单层纳米片与铝复合物，重量比为 1:324)。实验例对本发明石墨烯金属混合电极材料形成的透明导电层薄膜，进行了电阻的测试，与ITO薄膜的电阻结果对比如下
权利要求
1.一种石墨烯金属混合电极材料，为石墨烯单层纳米片与金属或金属氧化物的复合物。
2.根据权利要求1所述的石墨烯金属混合电极材料，其特征在于，所述金属为铝，所述金属氧化物为三氧化二铝。
3.根据权利要求2所述的石墨烯金属混合电极材料，其特征在于，所述石墨烯单层纳米片与金属铝或三氧化二铝之间的重量比为1: (50-600)。
4.根据权利要求3所述的石墨烯金属混合电极材料，其特征在于，所述石墨烯单层纳米片与金属铝或三氧化二铝之间的重量比为1: (100-400)。
5.根据权利要求1所述的石墨烯金属混合电极材料，其特征在于，所述石墨烯单层纳米片由氧化石墨采用快速热剥离法或溶剂热法制备而成。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的石墨烯金属混合电极材料，其特征在于，石墨烯金属混合电极材料采用将石墨烯单层纳米片与金属材料通过超声和机械搅拌法进行相包覆和混合而成。
7.制备权利要求1-6任意一项所述的石墨烯金属混合电极材料的方法，其特征在于，其包括如下步骤 1)采用快速热剥离法或溶剂热法将氧化石墨处理成含石墨烯单层纳米片的石墨烯悬浮液； 2)将所述石墨烯悬浮液通过超声和机械搅拌法与金属材料进行复合； 3)最后经高温处理而成。
8.根据权利要求7所述石墨烯金属混合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤I)中快速热剥尚法为米用先将氧化石墨在850-1300°C热处理30-50秒，然后加入无水乙醇，80-120W超声波处理2-2. 5小时。
9.根据权利要求7所述石墨烯金属混合电极材料的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨与无水乙醇的重量比为1: (20-100)。
10.根据权利要求7或8所述石墨烯金属混合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中超声和机械搅拌法为将所述石墨烯悬浮液加入到N-甲基-2-吡咯烷酮溶液中，在80-120W超声波下分散20-60min，再加入含有Al3+与S042—的混合溶液搅拌5_10小时。
11.根据权利要求10所述石墨烯金属混合电极材料的制备方法，其特征在于，所述石墨烯悬浮液中石墨烯与所述混合溶液中铝的重量比为1: (50-600)。
12.权利要求1-6任意一项所述的石墨烯金属混合电极材料在制备液晶显示器的透明导电层中的应用。
13.一种液晶显示器的基板，包括透明导电层，其特征在于，所述透明导电层由权利要求1-6任意一项所述的石墨烯金属混合电极材料形成。
全文摘要
本发明提供了一种石墨烯金属混合电极材料，其为石墨烯单层纳米片与金属或金属氧化物的复合物。本发明石墨烯单层纳米片通过石墨剥离而成，同时采用超声和机械搅拌法与金属材料良好结合，石墨烯的分布均匀且形成导电网络，可以有效提高电极的电化学活性，有效降低电荷转移电阻。本发明石墨烯金属混合电极在具备性能优良的前提下，降低了工艺和设备成本，可以用来代替液晶显示器的ITO导电层。
文档编号G02F1/1343GK103000245SQ20121051002
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月3日 优先权日2012年12月3日
发明者齐永莲, 徐传祥, 舒适, 薛建设 申请人:京东方科技集团股份有限公司