石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS复合薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术首先将石墨烯量子点与碳纳米管在水中充分共混形成石墨烯量子点/碳纳米管杂化物，再将杂化物分散到导电高分子PEDOT:PSS中，形成石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS复合薄膜；一方面，利用石墨烯量子点与碳纳米管的结构均具有大的离域π键，通过π‑π共轭作用，在碳纳米管管壁上修饰一层石墨烯量子点，赋予其优异的水溶性；另一方面，利用石墨烯量子点和PEDOT:PSS在水中都能分散均匀的特点，将石墨烯量子点/碳纳米管杂化物均匀分散到PEDOT:PSS的水溶液中，同时利用石墨烯量子点与PEDOT的π‑π相互作用，巧妙地将石墨烯量子点、碳纳米管和PEDOT:PSS有效均匀地结合在一起，形成石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS复合薄膜，不仅具有优异的导电性，还具有高的塞贝克系数，而且其导热系数不太高。

【技术实现步骤摘要】
石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS复合薄膜及其制备方法
本专利技术涉及复合材料领域，具体涉及石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS复合薄膜及其制备方法。
技术介绍
石墨烯量子点不仅具有石墨烯相似的优异热、电、磁等性能，而且还具有显著的量子限域效应和边界效应，赋予石墨烯量子点更独特的物理性质。例如，石墨烯量子点强的荧光效应能在生物标记或生物检测领域具有潜在的应用价值；高的载流子迁移率和宽的带隙能在太阳能电池方面具有巨大的应用前景。而且，最近的理论研究表明将石墨烯裁剪成石墨烯纳米带，或石墨烯量子点，热电转换效率得到极大的提升。但是，在试验中，石墨烯量子点的热电效率提升并没有如预期的那么好，主要是因为石墨烯进一步细化成石墨烯量子点后，尽管其塞贝克系数提升了，但是其电导率大幅下降，造成了热电转换效应低下。因此，如何将石墨烯量子点应用到热电领域仍具有巨大的挑战。而最近十多年来，导电高分子相对于无机热电材料来说，具有成本低、韧性好、易加工等良好的特质，且有机高分子的低导热系数，更有助于提高其热电转换效率。而导电高分子中，PEDOT:PSS作为热电基质，具有更大的优势，譬如高的化学性质稳定，可配置成水溶液加工，高透光性，良好的成膜性，优异的柔韧性。但从目前的研究结果发现，PEDOT:PSS导电性有待提高，且塞贝克系数也急需提高。很多的实际例子当中，均用无机热电材料对PEDOT:PSS进行填充，增强其导电性，改善其塞贝克系数。但是，传统的无机热电材料具有成本高、含有毒元素、重金属离子污染环境等缺陷。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS复合薄膜及其制备方法，不仅具有优异的导电性，还具有高的塞贝克系数，而且其导热系数并不太高。本专利技术为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS复合薄膜，其特征在于，复合薄膜为黑色柔性薄膜，厚度在1mm范围内；石墨烯量子点、碳纳米管均匀分散在PEDOT:PSS基体中；石墨烯量子点、碳纳米管与PEDOT:PSS三者的固体质量比为(5～25)：(1～10)：10。按上述方案，所述石墨烯量子点的尺寸在1～20nm范围内，能稳定分散在水中。按上述方案，所述碳纳米管可以选自单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管等。其中，多壁碳纳米管的直径在40-60nm范围内，表面积在40-70m2/g；双壁碳纳米管的直径在10-15nm范围内，表面积在100-200m2/g；单壁碳纳米管的直径在3nm范围内，表面积在400-600m2/g；本专利技术优选直径在3nm范围内，表面积在400-600m2/g的单壁碳纳米管。上述石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS导电薄膜的制备方法，主要包括以下步骤：第一步：配制分散均匀的石墨烯量子点溶液；第二步：将第一步所得石墨烯量子点溶液中先添加碳纳米管分散均匀后，再添加PEDOT:PSS水溶液搅拌均匀，得到石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS混合溶液；第三步：将第二步所得石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS混合溶液涂布于基板上，进行成膜，得到石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS薄膜。按上述方案，所述第三步中成膜后，还可以进行高温处理的步骤，以增加石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS薄膜的导电性。其中，高温处理的温度为90～120℃，时间优选10～15min。按上述方案，所述成膜后还可以进行除去基板的步骤。除去基板的方法为：将带有基板的石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS薄膜浸于丙酮溶剂中，使基板上脱落。按上述方案，所述成膜后还可以依次进行高温处理和除去基板的步骤。按上述方案，所述第一步中石墨烯量子点溶液中石墨烯量子点的含量为8～25mg/mL。按上述方案，所述第一步中石墨烯量子点溶液的配制方法为：按照石墨烯量子点、水、乙二醇和二甲亚砜混合溶液的质量比为(25～75)：2：1混合，进行超声分散，得到分散均匀的石墨烯量子点溶液。其中，乙二醇和二甲亚砜混合溶液中，乙二醇(EG)和二甲亚砜(DMSO)的体积比为1：(1～5)。超声分散，采用低功率超声仪进行，超声功率为80～150W，超声时间为0.5～2h。按上述方案，所述第二步中，所述PEDOT:PSS溶液为杜邦公司购买的导电高分子商品，溶剂为水，PEDOT:PSS的质量分数为1.0～5.0wt％。按上述方案，所述第二步中，石墨烯量子点、碳纳米管与PEDOT:PSS三者的固体质量比为(5～25)：(1～10)：10。按上述方案，所述第二步中，分散采用低功率超声仪进行，超声功率为80～150W，超声时间为0.5～2h；搅拌的时间为3d。按上述方案，所述基板选自普通玻璃基板、柔性基板、或者覆有PET薄膜的普通玻璃基板等中一种或几种。基板可以预先洗涤并干燥；其中，干燥温度范围为30～60℃，或者自然干燥。本专利技术的基本原理：首先，将石墨烯量子点与碳纳米管在水中充分共混形成石墨烯量子点/碳纳米管杂化物，再将杂化物分散到导电高分子PEDOT:PSS中，形成石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS复合薄膜。本专利技术，一方面，利用石墨烯量子点与碳纳米管的结构均具有大的离域π键，通过π-π共轭作用，在碳纳米管管壁上修饰一层石墨烯量子点，这样可以赋予碳纳米管优异的水溶性；另一方面，利用石墨烯量子点和PEDOT:PSS在水中都能分散均匀的特点，将水溶性石墨烯量子点/碳纳米管杂化物均匀分散到PEDOT:PSS的水溶液中，同时利用石墨烯量子点与PEDOT的π-π相互作用，可以巧妙的将石墨烯量子点、碳纳米管和PEDOT:PSS有效的结合在一起；且石墨烯量子点/碳纳米管杂化后，可以与PEDOT:PSS很好地进行共混而均匀分散在EDOT:PSS基体中，形成石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS复合薄膜。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)本专利技术所述石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS复合薄膜不仅具有优异的导电性，还具有高的塞贝克系数，而且其导热系数并不太高，因此制备的复合薄膜材料具有高的热电转换效率，对改善半导体量子点体系的温差电转化，以及制作柔性大面积PEDOT:PSS-半导体量子点复合体系薄膜具有重要的应用价值。2)本专利技术所述的石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS复合薄膜，能充分利用石墨烯量子点的高的赛贝克系数，及碳纳米管赋予薄膜的高的导电性，而且具备量子点特殊结构产生的量子尺寸效应和边缘效应，赋予复合薄膜材料优异的热电性能，在纳米器件和能源转换器件等领域极具应用潜力。4)本专利技术具有原料来源广泛，价格低廉，工艺简单的优点，制备方法简单，操作便利，可多次重复。且制备工艺简单、效率高、成本低，可实现工业化批量生产附图说明图1为石墨烯量子点的透射电镜图。图2为石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS复合薄膜的照片。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，用以下实施例对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。一种石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS导电薄膜的制备方法，主要包括以下步骤：步骤1)：按照石本文档来自技高网...

【技术保护点】
石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS复合薄膜，其特征在于，复合薄膜为黑色柔性薄膜，厚度不大于1mm；石墨烯量子点、碳纳米管均匀分散在PEDOT:PSS基体中；石墨烯量子点、碳纳米管与PEDOT:PSS的固体质量比为(25～5)：1：10。

【技术特征摘要】
1.石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS复合薄膜，其特征在于，复合薄膜为黑色柔性薄膜，厚度不大于1mm；石墨烯量子点、碳纳米管均匀分散在PEDOT:PSS基体中；石墨烯量子点、碳纳米管与PEDOT:PSS的固体质量比为(25～5)：1：10。2.根据权利要求1所述的石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS复合薄膜，其特征在于，所述石墨烯量子点的尺寸在1～20nm范围内。3.根据权利要求1所述的石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS复合薄膜，其特征在于，所述碳纳米管选自单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或几种。4.石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS复合薄膜的制备方法，其特征在于，主要包括以下步骤：第一步：配制分散均匀的石墨烯量子点溶液；第二步：将第一步所得石墨烯量子点溶液中先添加碳纳米管分散均匀后，再添加PEDOT:PSS溶液搅拌均匀，得到石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS混合溶液；第三步：将第二步所得石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS混合溶液涂布于基板上，进行成膜，得到石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS薄膜。5.根据权利要求4所述的石墨烯量子点/碳纳米管/PEDOT:PSS复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述第三步中成...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜飞鹏，曹南南，程相乐，李晶晶，张云飞，吴艳光，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42