水性导电高分子-石墨烯分散液及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种水性导电高分子-石墨烯分散液以及制备方法。所述的分散液以水性导电高分子为分散剂和稳定剂，其原理是利用水性导电高分子与石墨烯之间产生强烈的π-π相互作用，通过液相超声剥离石墨，得到高浓度、高稳定的水性导电高分子-石墨烯分散液。水性导电高分子不仅有利于石墨的剥层，同时改善了分散液的稳定性，并同时提高分散液的导电性。本发明专利技术提供的分散液稳定性好，其中石墨烯为单层和寡层(2～8层)结构、石墨烯含量可达1～10mg/mL。此外，该方法制备工艺简单、成本低廉，易于产业化制备。

【技术实现步骤摘要】
水性导电高分子-石墨烯分散液及其制备方法
本专利技术属于功能纳米材料领域，特别涉及一种水性导电高分子-石墨烯分散液及其制备方法。
技术介绍
石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状碳材料，自2004年，英国科学家Geim等人成功制备了室温下稳定存在的石墨烯以来，石墨烯引起了广泛的关注(NovoselovK.,GeimA.,eta1.Science,2004,306,666-669)。与传统碳材料相比，石墨烯具有更加优异的电学、热学、力学和光学性能，这使在电子、能源转换和储存、生物技术、生化传感器等领域都具有广阔的应用前景。在实际应用中，石墨烯需要分散在水或者有机溶剂中，但是由于石墨烯层之间存在较大的范德华力，因而易于团聚而难以分散，大大制约了石墨烯的产业化应用。目前石墨烯最常用的的制备方法有：化学气相沉积法(CVD)，CVD法是碳前驱体在高温、气态条件下发生化学反应，生成的石墨烯在加热的固态基体表面。但是该种方法会在反应过程中生产一些碳化物或无定形碳，影响了石墨烯的质量。氧化还原法是将天然石墨通过热处理或其它氧化技术进行氧化，得到基本分子结构为碳六边形且表面及边缘存在大量的羟基、羧基、环氧等基团的氧化石墨烯。再通过化学还原的方法去除其分子结构上的含氧基团，最后得到石墨烯薄层材料的方法。但在还原氧化石墨烯的结构中，其表面上的一些碳原子排列比较错乱，且整个分子结构因氧化反应而产生空洞和拓扑缺陷，此外还有残留的含氧官能团，从而影响石墨烯材料的电学性能。微机械剥离法(micromechanicalexfoliation)是一种利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动，得到石墨烯薄层材料的方法。但该方法很难得到较大面积的石墨烯材料。液相剥离法通过直接把石墨或石墨衍生物如膨胀石墨等分散到有机溶剂中，再利用高密度超声波、加热或气流作用得到一定浓度的单分子层或多层石墨烯溶液。该方法虽然操作简单，制备过程保全了石墨烯的原子结构，保障了石墨烯优异的电性能，成为最具应用前景的制备方法。美国Stanford大学的戴宏杰等人，用液相剥离方法制备石墨烯分散液(LiX，ZhangG，BaiX，etal.HighlyconductinggraphenesheetsandLangmuir-Blodgettfilms.NatureNanotechnology，2008，3(9)：538-542)，他们采用四丁基溴化季铵盐作为插层剂，在液相中剥离，得到高导电性的石墨烯分散液。Coleman等人(HernandezY，NicolosiV，LotyaM，etal.High-yieldproductionofgraphenebyliquid-phaseexfoliationofgraphite.NatureNanotechnology，2008，3(9)：563-568.)报道了直接在多种溶剂，例如，N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N,N-二乙基甲酰胺(DMF)、γ-丁内酯(GBL)、1,3-二甲基-2-咪唑烷酮(DMEU)中直接剥离石墨，得到石墨烯分散液，但在NMP溶剂中石墨烯的浓度仅为6μg/mL。英国杜伦大学的Coleman等人又(LotyaM，HernandezY，KingPJ，etal.Liquidphaseproductionofgraphenebyexfoliaionofgraphiteinsurfactant/watersolutions.J.A.Chem.Siety，2009，131(10)：3611-3620)通过在水中加入表面活性剂十二烷基磺酸钠(DDS)，在水相中通过液相剥离的方法制备出0.1mg/mL石墨烯分散液。现有液相剥离法获得的石墨烯分散液的浓度较低。综合上述方法存在着制备工艺复杂、或浓度较低等缺点，制约了石墨烯的产业化发展。
技术实现思路
本专利技术的第一目的是提供一种导电高分子-石墨烯分散液，该分散液为水性导电高分子为稳定剂和分散剂，所述的分散液中石墨烯多为单层和寡层(2～8层)结构。所述分散液中的石墨烯含量可达1～10mg/mL，石墨烯的粒径为200纳米～2微米。本专利技术制得的水性导电高分子-石墨烯分散液分散性好、稳定性高，所得石墨烯结构完整。本专利技术的第二目的提供利用水性导电高分子与石墨烯之间强烈的π-π作用，以石墨为原料，利用超声剥离技术可大规模、低成本制备水性导电高分子-石墨烯分散液的方法。本专利技术的第三目的在于提供上述水性导电高分子-石墨烯分散液的用途，即制备透明电极或者透明柔性电极。本专利技术提出了一种制备水性导电高分子-石墨烯分散液的方法，具体包括如下步骤：步骤一：将水性导电高分子材料分散在去离子水中，得到导电高分子水溶液；其中，导电高分子的含量为1～5wt％；所述的水性导电高分子包括：水性导电聚苯胺及其衍生物或者水性聚噻吩和其衍生物。步骤二：将2g的石墨加入到50～100mL的导电高分子的水溶液中，在超声频率为20～80KHz的超声发生器中超声分散12～48小时，得到水性导电高分子-石墨烯混合液；步骤三：将步骤二制得的水性导电高分子-石墨烯混合液置于离心机中，在转速为1500转/分钟～4500转/分钟，离心处理30～90分钟后，得到水性导电高分子-石墨烯分散液。本专利技术的特点在于：①提供的水性导电高分子-石墨烯分散液，该分散液的稳定性好、石墨烯含量高，石墨烯的晶体结构完整，具有好的导电性。②本专利技术巧妙的利用的导电高分子与石墨烯之间产生强烈的π-π作用，在超声作用下，使石墨有效剥离得到石墨烯分散液。该方法操作简单、成本低、重复性好，适用于大规模生产。③该分散液可涂覆在任何基底上制备透明电极或者透明柔性电极，具有极大的应用前景。附图说明图1为石墨烯原料的扫描电镜照片。图2为实施例1中的分散液的光学照片。图3为实施例1中制备的分散液的透射电镜图。图4为实施例1中制备的分散液涂覆在玻璃上的透射光谱图。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术涉及的一种水性导电高分子-石墨烯分散液，是以水性导电高分子作为稳定剂和分散剂的。水性导电高分子-石墨烯分散液中石墨烯多为单层和寡层结构；一般地，寡层为2～8层。水性导电高分子-石墨烯分散液中的石墨烯含量为1～10mg/mL。水性导电高分子-石墨烯分散液中的石墨烯的粒径为200纳米～2微米。在本专利技术中，选用的水性导电高分子包括有：水性导电聚苯胺及其衍生物或者水性聚噻吩和其衍生物。所述的水性导电聚苯胺及其衍生物包括有：聚苯乙烯磺酸掺杂聚苯胺、聚苯乙烯磺酸掺杂聚甲基苯胺、聚苯乙烯磺酸掺杂聚乙基苯胺、聚乙烯基磺酸掺杂聚苯胺、聚乙烯基磺酸掺杂聚甲基苯胺、聚乙烯基磺酸掺杂聚乙基苯胺、聚丙烯酸掺杂聚苯胺、聚丙烯酸掺杂聚甲基苯胺、聚丙烯酸掺杂聚乙基苯胺、十二烷基磺酸掺杂聚苯胺、十二烷基磺酸掺杂聚甲基苯胺、十二烷基磺酸掺杂聚乙基苯胺、苯胺/邻氨基苯磺酸共聚物、苯胺/邻氨基苯甲酸共聚物、或者苯胺/N-丙烷磺酸基苯胺共聚物；所述的水性聚噻吩和其衍生物包括有：聚苯乙烯磺酸掺杂聚噻吩、聚苯乙烯磺酸掺杂聚3-己基聚噻吩、聚苯乙烯磺酸掺杂聚3-羧甲基聚噻吩、聚苯乙烯磺酸盐掺杂的聚乙撑二氧噻吩、聚乙烯基磺酸掺杂聚噻吩、聚乙烯基磺酸掺杂聚3-己基聚噻吩、聚乙烯基磺酸掺杂聚3-羧甲基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水性导电高分子‑石墨烯分散液，其特征在于：水性导电高分子‑石墨烯分散液为水性导电高分子为稳定剂和分散剂；水性导电高分子‑石墨烯分散液中石墨烯多为单层和寡层结构；水性导电高分子‑石墨烯分散液中的石墨烯含量为1～10mg/mL；水性导电高分子‑石墨烯分散液中的石墨烯的粒径为200纳米～2微米。

【技术特征摘要】
1.一种制备水性导电高分子-石墨烯分散液的方法，其特征在于包括有下列步骤：步骤一：将水性导电高分子材料分散在去离子水中，得到导电高分子水溶液；其中，导电高分子的含量为1～5wt％；所述的水性导电高分子包括有：水性导电聚苯胺及其衍生物或者水性聚噻吩和其衍生物；步骤二：将2g的石墨加入到50～100mL的导电高分子的水溶液中，在超声频率为20～80KHz的超声发生器中超声分散12～48小时，得到水性导电高分子-石墨烯混合液；步骤三：将步骤二制得的水性导电高分子-石墨烯混合液置于离心机中，在转速为1500转/分钟～4500转/分钟，离心处理30～90分钟后，得到水性导电高分子-石墨烯分散液；水性导电高分子-石墨烯分散液中的石墨烯含量为1～10mg/mL；水性导电高分子-石墨烯分散液中的石墨烯的粒径为200纳米～2微米。2.根据权利要求1所述的一种制备水性导电高分子-石墨烯分散液的方法，其特征在于：水性导电高分子-石墨烯分散液中石墨烯为单层结构。3.根据权利要求1所述的一种制备水性导电高分子-石墨烯分散液的方法，其特征在于：水性导电高分子-石墨烯分散液中石墨烯为2～8层的寡层结构。4.根据权利要求1所述的一种制备水性导电高分子-石墨烯分散液的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱英，滕超，鹿现永，江雷，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11