一种高质量石墨烯导电膜的制备方法技术

本发明专利技术属于石墨烯材料制备技术领域，涉及一种高质量石墨烯导电膜的制备方法，先在反应器中将天然鳞片石墨与混酸混合均匀，然后加入插层剂下搅拌反应后经过过滤、水洗和干燥得到分层石墨；再将分层石墨进行微波处理后分散于水中进行超声剥离形成石墨烯水溶液，将石墨烯水溶液进行离心后分散到溶剂中得到石墨烯分散液；再对石墨烯分散液超声处理后采用滴涂或纤维素滤膜过滤形成石墨烯薄膜，并对石墨烯薄膜表面进行抛光处理，同时对石墨烯薄膜的基底转移和加热处理，制备得到石墨烯导电膜；其制备方法简单，操作方便，工艺参数可控性高，生产成本低，避免使用强氧化剂和有毒还原剂，环境友好。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术属于石墨烯材料制备
，涉及一种高质量石墨烯导电膜的制备方法。
技术介绍
：石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。2004年英国曼彻斯特大学的科学家首次剥离出石墨烯，并证实它能稳定存在。从此石墨烯这种新型材料受到广泛关注，石墨烯具有十分优异的性能，其比表面积高达2630m2.g-1，体征迁移率高达200000cm2.v-1.s-1，杨氏模量多达到1.0TPa，热传导常数为5000W.m-1.K-1，光学透射比高达97.7％，并且其导电性也十分优异，几乎达到了金属单质的导电性能。石墨烯展现出来的这些特性使其在高性能纳电子器件、光电器件、气体传感器、复合材料、场发射材料及能量存储等领域获得广泛应用。目前，石墨烯的制备方法主要包括机械剥离法、化学气相沉积法、外延生长法、溶剂剥离法和化学氧化还原法，这些方法都有其优缺点：机械剥离法由于剥离方法的局限性，其不适合大规模工业化制备石墨烯；化学气相沉积法和外延生长法方法由于具有工艺复杂、条件苛刻、产率低、成本高等缺点，限制了其在石墨烯的大规模工业化生产和应用；外延生长法通过加热SiC外延生长石墨烯用于电子器件等，但是由于SiC晶体表面在加热过程中容易发生重构，难以获得大面积均一的石墨烯，而且加热温度高，能耗大；溶剂剥离法的剥离效率和产率较低，且适用的溶剂较少；化学氧化还原法是目前低成本，大规模制备石墨烯较为普遍的方法，但是化学剥离法剥离过程中使用的强氧化剂会破坏石墨烯碳原子的平面结构，产生缺陷，导致石墨烯的导电性降低，而在还原过程通常使用的水合肼等有毒化学物质，容易对环境造成污染。另一方面，石墨烯导电膜由于其出色的力学性质，高导电性，高稳定性等特点，在触摸屏、太阳能电池、超级电容器、锂离子电池电极以及一些柔性电极等方面具有广泛的应用价值。然而目前氧化还原法制备的石墨烯膜的电导率较低，缺陷多，力学性能较差；而且石墨本体材料的溶剂分散性和成膜性较差；采用复配技术制备的石墨碳浆虽然具有较好的稳定性和成膜性，但是导电性较差，电阻较高。因此迫切需要开发一种简单高效、高质量石墨烯导电膜的低成本制备方法。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于克服现有技术中存在问题和不足，寻求设计提供一种高质量石墨烯导电膜的制备方法，采用该方法制备的石墨烯导电膜导电率高，电阻低，稳定性好，适用基底广，具有广泛的应用前景。为了实现上述目的，本专利技术制备高质量石墨烯导电膜具体包括以下步骤：(1)、在反应器中将天然鳞片石墨与混酸混合均匀，然后加入插层剂，在35摄氏度下搅拌反应4-12h后过滤，水洗至pH＝7，在60摄氏度下干燥，得到分层石墨；其中天然鳞片石墨：混酸：插层剂的用量比为1g：3-6ml：1-4g；(2)、用功率为800-1100w的微波装置处理分层石墨1-5min得到微波处理的石墨；(3)、将微波处理的石墨分散于水中，超声剥离形成浓度为0.5-2mg/ml的石墨烯水溶液，超声的功率为300-500w，超声时间为30-60min；(4)、将石墨烯水溶液在5000-6000rpm速度下离心10-20min后得到的固体再分散到溶剂中得到浓度为5-20mg/ml的石墨烯分散液；(5)、对石墨烯分散液在150-300w功率条件下超声10-20min后，采用现有的滴涂或纤维素滤膜过滤形成石墨烯薄膜，然后采用现有技术对石墨烯薄膜表面进行抛光处理，同时对石墨烯薄膜的基底转移和加热处理，即制备得到石墨烯导电膜。本专利技术所述的反应器为三口烧瓶或四口烧瓶。本专利技术所述天然鳞片石墨的片径大小为50-150μm。本专利技术所述插层剂为在外界作用下能产生气体的无机盐类，包括三氯化铁、硝酸铵、氯酸钾、氯酸锂、草酸钾、草酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸氢钾和碳酸铁中的一种或两种以上。本专利技术所述混酸为重量百分比浓度为65％的浓硝酸和重量百分比浓度为98％的浓硫酸组成的混合酸，其中浓硝酸与浓硫酸的体积比为1:1-3。本专利技术步骤(4)中所述溶剂包括水、乙醇和异丙醇中的一种。本专利技术与现有技术相比，采用石墨插层-剥离-分散-成膜的方法制备石墨烯导电膜，得到的石墨烯薄膜由石墨烯片组成，层数为1-5层，剥离程度高，缺陷极少；采用成膜和抛光处理手段制备的石墨烯薄膜致密度高，稳定性高,厚度均匀(厚度为小于20μm)；经过后处理后，得到的石墨烯导电膜电导率高(20000-50000S/m)，远远大于传统方法得到的石墨烯薄膜的导电率；其制备方法简单，操作方便，工艺参数可控性高，生产成本低，避免使用强氧化剂和有毒还原剂，环境友好，得到的石墨烯导电膜质量高，性能佳，在锂离子电池、超级电容器、太阳能电池、平板显示、触摸屏以及柔性电极领域具有广泛的应用前景。附图说明:图1为本专利技术实施例1使用的天然石墨和制备的石墨烯导电膜的XRD图。图2为为本专利技术实施例1制备的石墨烯导电膜的SEM图。图3为为本专利技术实施例1制备的石墨烯导电膜的TEM图,其中a)为低倍TEM图；b)为高倍TEM图。图4为本专利技术实施例1制备的石墨烯导电膜的AFM图。具体实施方式:下面通过实施例并结合附图对本专利技术作进一步说明。实施例1：本实施例制备高质量石墨烯导电膜的具体步骤为：(1)、将10g片径为100μm的天然石墨加入到10ml浓硝酸(65％)和30ml浓硫酸(98％)组成的混酸混合均匀，然后加入20g氯化铁，在35度下搅拌反应12h，过滤，水洗至pH＝7，在60摄氏度下干燥8h，得到分层石墨；(2)、将分层石墨在1000w微波下处理3min得到微波处理后的石墨，处理过程中石墨会膨胀，并伴有火花；(3)、将微波处理后的石墨分散到水中，在500w下超声剥离60min，得到浓度为0.5-2mg/ml的石墨烯水溶液；(4)、将100ml浓度为2mg/ml的石墨烯水溶液在6000rpm下离心10min，去除上层水溶液得到石墨烯固体，将得到的石墨烯固体重新分散在50ml乙醇中，在300w下超声15min，形成分散均匀的石墨烯乙醇分散液；(5)将该分散液滴涂在干净的PET塑料片表面，室温下自然干燥成膜，用抛光布抛光，形成致密、均匀、柔性的石墨烯导电膜，经过四探针测试，该膜的厚度为5μm，电导率为30000S/m。本实施例使用的天然石墨和制备的石墨烯导电膜的XRD图如图1所示，天然石墨在26.5度出现强烈尖锐的(002)特征峰；而石墨烯导电膜只是在26度出现一个微小的馒头状的石墨烯(002)的特征峰。本实施例制备的石墨烯导电膜SEM图如图2所示，由图中可以看出，石墨烯导电膜的整体均匀致密，并且出现明显的石墨烯褶皱的特征形貌。本实施例得到的石墨烯导电膜的TEM图如图3所示，从图3(a)中可以看出，石墨烯导电膜由尺寸在5μm左右的石墨烯片组成；从图3(b)中发现，石墨烯片的层数为单层或少层，电子衍射谱图显示得到的石墨烯片的结晶性很好，碳原子的共轭结构得到保持，缺陷少。本实施例得到的石墨烯导电膜的AFM图如图4所示，由图中可以看出，制备的石墨烯片尺寸在5μm左右，样品均匀，厚度大约为0.8nm,说明制备的石墨烯为少层石墨烯，1-2层。实施例2：本实施例其它步骤与实施例1相同，仅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高质量石墨烯导电膜的制备方法，其特征在于具体包括以下步骤：(1)、在反应器中将天然鳞片石墨与混酸混合均匀，然后加入插层剂，在35摄氏度下搅拌反应4‑12h后过滤，水洗至pH＝7，在60摄氏度下干燥，得到分层石墨；其中天然鳞片石墨：混酸：插层剂的用量比为1g：3‑6ml：1‑4g；(2)、用功率为800‑1100w的微波装置处理分层石墨1‑5min得到微波处理的石墨；(3)、将微波处理的石墨分散于水中，超声剥离形成浓度为0.5‑2mg/ml的石墨烯水溶液，超声的功率为300‑500w，超声时间为30‑60min；(4)、将石墨烯水溶液在5000‑6000rpm速度下离心10‑20min后得到的固体再分散到溶剂中得到浓度为5‑20mg/ml的石墨烯分散液；(5)、对石墨烯分散液在150‑300w功率条件下超声10‑20min后，采用现有的滴涂或纤维素滤膜过滤形成石墨烯薄膜，然后采用现有技术对石墨烯薄膜表面进行抛光处理，同时对石墨烯薄膜的基底转移和加热处理，即制备得到石墨烯导电膜。

【技术特征摘要】
1.一种高质量石墨烯导电膜的制备方法，其特征在于具体包括以下步骤：(1)、在反应器中将天然鳞片石墨与混酸混合均匀，然后加入插层剂，在35摄氏度下搅拌反应4-12h后过滤，水洗至pH＝7，在60摄氏度下干燥，得到分层石墨；其中天然鳞片石墨：混酸：插层剂的用量比为1g：3-6ml：1-4g；(2)、用功率为800-1100w的微波装置处理分层石墨1-5min得到微波处理的石墨；(3)、将微波处理的石墨分散于水中，超声剥离形成浓度为0.5-2mg/ml的石墨烯水溶液，超声的功率为300-500w，超声时间为30-60min；(4)、将石墨烯水溶液在5000-6000rpm速度下离心10-20min后得到的固体再分散到溶剂中得到浓度为5-20mg/ml的石墨烯分散液；(5)、对石墨烯分散液在150-300w功率条件下超声10-20min后，采用现有的滴涂或纤维素滤膜过滤形成石墨烯薄膜，然后采用现有...

【专利技术属性】
技术研发人员：宗成中，刘睿，宗迎夏，王春芙，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37