一种使石墨烯水平平铺自组装形成石墨烯膜的方法技术

本发明专利技术公开了一种使石墨烯水平平铺自组装形成石墨烯膜的方法，该方法向石墨烯水溶液中按比例加入甲苯、酒精后充分混合均匀，然后倒入真空抽滤装置中；待抽滤瓶中的溶液形成上下分层的溶液体系时，石墨烯被限制在界面处，并在界面处剪切力的作用下水平铺展，石墨烯的(002)面趋于和界面平行，石墨烯发生自组装形成石墨烯膜，此时启动抽滤装置抽掉溶液，则在滤纸上获得在微观层面上石墨烯的(002)面相互平行的石墨烯膜。该方法工艺简单，所用试剂、设备成本低；制膜过程中无原料浪费，产率100％；直接采用石墨烯，避免了采用氧化石墨烯所需的后续还原反应，产品品质好；整个生产周期只要几分钟，生产效率高；适合工业化生产。

A Method of Self-assembly of Graphene Horizontal Flat Paving to Form Graphene Film

The invention discloses a method for self-assembly of graphene to form graphene film by horizontal flat laying. The method adds toluene and alcohol to graphene aqueous solution proportionally, and then mixes them well and evenly, and then pours them into vacuum suction filter device. When the solution in the suction bottle forms a solution system of upper and lower layers, graphene is confined to the interface, and the level under the action of shear force at the interface is at the level. When the surface of graphene (002) tends to be parallel to the interface, graphene self-assembles to form graphene film. At this time, starting the filter device to extract the solution, graphene films parallel to each other on the micro-level of graphene (002) can be obtained on the filter paper. The process is simple, the reagents and equipment used are low cost; there is no waste of raw materials and the yield is 100%; graphene is directly used to avoid the subsequent reduction reaction required by graphene oxide, and the product quality is good; the whole production cycle is only a few minutes, and the production efficiency is high; it is suitable for industrial production.

【技术实现步骤摘要】
一种使石墨烯水平平铺自组装形成石墨烯膜的方法
本专利技术属于新能源材料制备
，涉及一种使石墨烯水平平铺自组装形成石墨烯膜的方法。
技术介绍
石墨烯由于其突出的理化性质以及独特的单原子层二维结构，被广泛应用于透明导电膜、电磁屏蔽膜、导热散热膜等研究领域。Chen课题组通过旋涂的方法结合热还原制备了rGO薄膜，该材料可以用作导电透明电极[ACSNano,2008,2:463-470]。Mullen课题组采用浸涂的方法将GO组装到石英片上，热还原得到了可以用作透明导电电极的rGO薄膜[NanoLett,2008,8:323-327]。Zheng课题组利用挥发诱导自组装的方法结合高温退火石墨化制备了超薄柔性的石墨烯膜[AdvFunctMater,2014,24:4542-4548]。该膜展现了极佳的电磁屏蔽效率高达20dB，同时还表现了优异的热导率(达1100Wm-1K-1)。因此，石墨烯膜的成膜技术显得尤为重要。其中，对于构筑基元石墨烯的微观组装结构调控的相关研究工作依然有待补充完善。当前石墨烯膜的主要制备方法可分为直接法和间接法两大类。直接法包括碳化硅或金属表面外延生长法和化学气相沉积法(CVD)等。直接法虽然能得到质量好、性能稳定的石墨烯薄膜，但对设备要求高，得到的薄膜在转移到其它基底上时也往往存在困难，所以不容易实现大规模应用。间接法包括真空抽滤法，喷涂法，旋涂法，电泳法，自组装法等。间接法这类先制备石墨烯再成膜的方法则不需要复杂的设备，成本较低，因此比较容易实现大规模应用。(1)真空抽滤法常见的真空抽滤法是将石墨烯/氧化石墨烯水溶液的浓度调整至需要的浓度，然后进行快速真空抽滤。如果制备的薄膜厚度较大，可直接转移；如果薄膜厚度较小，可以使用溶剂先将滤膜溶解，然后再转移到合适的基底上。Eda等用混合纤维素酯薄膜真空抽滤不同体积的氧化石墨烯水分散液，在混合纤维素酯薄膜上得到氧化石墨烯膜，混合纤维素酯被溶解后再将氧化石墨烯膜转移到玻璃基底或塑料基底上，最后经化学还原和热退火处理后成功得到石墨烯薄膜[Naturenanotech,2008,3(5):270-274]。(2)喷涂法喷涂法是用喷雾枪将石墨烯分散液喷涂到经预热的基底上，待溶剂挥发后可得到石墨烯薄膜。Gilje等人用喷涂法，将溶于水的氧化石墨烯喷涂到SiO2/Si基底上，还原后得到石墨烯薄膜[NanoLett,2007,7(11):3394-3398]。(3)旋涂法旋涂法是将石墨烯溶液滴到旋转的基底上，通过调节基底转速可使石墨烯溶液在基底上均匀铺展，干燥后可得到石墨烯薄膜。Robinson等将氧化石墨烯悬浮液滴加到SiO2/Si基板上，用N2吹干，制备了较平整的石墨烯薄膜[NanoLett,2008,8(10):3441-3445]。(4)电泳法氧化石墨烯带有较多的极性含氧基团，因此在极性溶剂中具有良好的悬浮性并能带上电荷，可利用氧化石墨烯悬浮液的可电泳性制备氧化石墨烯薄膜。石墨烯经过处理也能带电并成为稳定的悬浮液。在一定条件下，石墨烯还能与高分子共同电泳沉积得到复合膜。Wu等通过超声波处理得到石墨烯/异丙醇分散液，加入硝酸镁水溶液可使石墨烯片带上正电，然后通过电泳沉积可在ITO导电玻璃表面形成石墨烯膜[AdvMater，2009，21(17):1756-1760]。(5)自组装法自组装法是利用石墨烯所在界面处的物理化学性质，使石墨烯在界面处自发地排列结合。Chen等利用自组装法合成氧化石墨烯薄膜。将氧化石墨烯悬浮液在恒温水浴中加热，在液体空气界处非常迅速形成一层冷凝的薄膜，随后将膜下面的悬浮液倒出，干燥后可得到氧化石墨烯薄膜[AdvMater,2009,21(29):3007-3011]。上述方法虽然能够实现石墨烯的规模化制备，但也存在无法规避的问题。真空抽滤法简单高效，但是现有的真空抽滤法仅仅能使石墨烯水平取向，而无法控制石墨烯(002)面的朝向，即不能使石墨烯尽量地水平铺展，所以由此抽滤得到的石墨烯膜在微米尺度下虽有层状结构但是在纳米尺度下其基元石墨烯由于被外力强制压缩自身会产生很多褶皱，褶皱的存在大大增加了石墨烯膜内部的空隙和比表面积，增大了片与片之间的接触电阻和声子的散射，最终导致导电导热性能的损失；喷涂法、悬涂法可以制备大面积的石墨烯膜，但是石墨烯膜的微观结构杂乱无章，基元石墨烯毫无规律地堆叠造成了很大的接触电阻和声子散射，导致石墨烯膜的导电导热性能较差；电泳法操作简便、易于控制、成本较低、适于规模化制备，制得的膜较为均匀，但其基元石墨烯是自由取向，石墨烯膜表面裸露出很多石墨烯的边缘，表明片与片之间存在很大的接触电阻和声子散射，此外使用电泳法成膜后，将膜从电极上转移出去时会遇到很多不便；自组装方法简单易行，能够使氧化石墨烯在液体表面平铺成膜，氧化石墨烯的(002)面相互平行，得到的氧化石墨烯膜呈现较好的均匀性和可控性，但是由于采用氧化石墨烯作为中间体，后续复杂的还原处理会破坏原先规整平铺的微观结构，致使导电导热性能的损失。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种使石墨烯水平平铺自组装形成石墨烯膜的方法，该方法操作简单，制备效率高、成本低，能够获得在微观层面上石墨烯的(002)面相互平行的石墨烯膜。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：本专利技术公开了一种使石墨烯水平平铺自组装形成石墨烯膜的方法，，向石墨烯水溶液中按比例加入甲苯、酒精后充分混合均匀，然后倒入真空抽滤装置中；待抽滤瓶中的溶液形成上下分层的溶液体系时，石墨烯被限制在界面处，并在界面处剪切力的作用下水平铺展，石墨烯的(002)面趋于和界面平行，石墨烯发生自组装形成石墨烯膜，此时启动抽滤装置抽掉溶液，则在滤纸上获得在微观层面上石墨烯的(002)面相互平行的石墨烯膜。优选地，上述的一种使石墨烯水平平铺自组装形成石墨烯膜的方法，包括以下步骤：1)将石墨烯分散在水中，超声处理，得到石墨烯悬浮液；2)向石墨烯悬浮液中按比例加入甲苯、酒精和水，充分混合，得到混合物A；3)将混合物A进行短时间的超声、振荡处理，待其混合均匀后即刻倒入真空抽滤装置中，待观察混合物A发生分层现象，石墨烯向分层界面处转移直至最终全部限制在界面处，石墨烯在界面剪切力度作用下自发水平平铺、自由漂移，其(002)面趋于和界面平行，同时进行高度取向的自组装；4)自组装完成后，在界面处形成稳定均匀的石墨烯膜，启动真空抽滤装置，将溶液抽除，界面处的石墨烯膜整体缓缓下降并最终完整附着在滤纸表面；5)将滤膜烘干，得到在微观层面上石墨烯的(002)面相互平行的石墨烯膜。进一步优选地，步骤1)中，石墨烯悬浮液中石墨烯的浓度为0.01～2mg/mL。进一步优选地，混合物A中，水与甲苯的体积比≥1:8；酒精与甲苯的体积比为1：8～2:1。进一步优选地，步骤3)中，将混合物A在超声功率为30～60W的条件下，处理5～30s。进一步优选地，步骤3)中，观察混合物A发生分层现象的等待时间为0.5～5min。进一步优选地，步骤5)中，烘干温度为25～80℃，烘干时间为2～24h。进一步优选地，还包括重复步骤2)～步骤4)的操作，通过控制层叠次数控制石墨烯膜的厚度。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种使石墨烯水平平铺自组装形成石墨烯膜的方法，其特征在于，向石墨烯水溶液中按比例加入甲苯、酒精后充分混合均匀，然后倒入真空抽滤装置中；待抽滤瓶中的溶液形成上下分层的溶液体系时，石墨烯被限制在界面处，并在界面处剪切力的作用下水平铺展，石墨烯的(002)面趋于和界面平行，石墨烯发生自组装形成石墨烯膜，此时启动抽滤装置抽掉溶液，则在滤纸上获得在微观层面上石墨烯的(002)面相互平行的石墨烯膜。

【技术特征摘要】
1.一种使石墨烯水平平铺自组装形成石墨烯膜的方法，其特征在于，向石墨烯水溶液中按比例加入甲苯、酒精后充分混合均匀，然后倒入真空抽滤装置中；待抽滤瓶中的溶液形成上下分层的溶液体系时，石墨烯被限制在界面处，并在界面处剪切力的作用下水平铺展，石墨烯的(002)面趋于和界面平行，石墨烯发生自组装形成石墨烯膜，此时启动抽滤装置抽掉溶液，则在滤纸上获得在微观层面上石墨烯的(002)面相互平行的石墨烯膜。2.根据权利要求1所述的一种使石墨烯水平平铺自组装形成石墨烯膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将石墨烯分散在水中，超声处理，得到石墨烯悬浮液；2)向石墨烯悬浮液中按比例加入甲苯、酒精和水，充分混合，得到混合物A；3)将混合物A进行短时间的超声、振荡处理，待其混合均匀后即刻倒入真空抽滤装置中，待观察混合物A发生分层现象，石墨烯向分层界面处转移直至最终全部限制在界面处，石墨烯在界面剪切力度作用下自发水平平铺、自由漂移，其(002)面趋于和界面平行，同时进行高度取向的自组装；4)自组装完成后，在界面处形成稳定均匀的石墨烯膜，启动真空抽滤装置，将溶液抽除，界面处的石墨烯膜整体缓...

【专利技术属性】
技术研发人员：张锦英，黄家良，史烨禾，赵雪雯，成永红，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61