一种表面具有微结构图案的柔性自支撑石墨烯导电薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种表面具有微结构图案的柔性自支撑石墨烯导电薄膜及其制备方法。在表面具有微结构图案的母模板中填充硝基纤维素溶液，干燥后剥离，得到带有相反微结构的硝基纤维素薄膜作为基底。基底进行等离子体表面处理，并将氧化石墨烯溶液填充到基底上干燥成膜，将得到的氧化石墨烯薄膜放入氢碘酸水溶液中加热还原，同时去除硝基纤维素膜，得到和母模板具有相同微结构图案的柔性自支撑石墨烯导电薄膜。该方法制备简单，操作方便，对设备、工艺要求简单，原料廉价，成本低，可实现大规模工业化生产。制备的自支撑石墨烯膜柔韧性好、导电性高，表面微结构图案可调，有望用于柔性电子、柔性显示、可穿戴式传感、储能器件等方面。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于石墨烯材料制备
，特别涉及一种表面具有微结构图案的柔性自支撑石墨烯导电薄膜的制备方法。
技术介绍
石墨烯材料具有优秀的电学、力学、化学性能，微结构图案化的柔性石墨烯导电薄膜在柔性微电子、光电子、传感、能量存储等领域具有及其广阔的潜在应用价值。例如利用微结构图案化的柔性石墨烯导电薄膜可有效提高石墨烯柔性传感的检测灵敏性。目前的柔性薄膜太阳能电池、柔性电化学存储器、柔性显示器等具体的器件领域竞相利用图案化的柔性石墨烯电极代替传统的电极图形。因此，实现微结构图案化的石墨烯薄膜的高效率、低成本、大规模制造，是发展石墨烯基柔性电子器件的关键问题。为了制备微结构图案化的柔性石墨烯导电薄膜，国内外学者已发展了多种不同的成形方法。例如Chen等人利用“呼气图案法”制备了具有有序孔阵列的自支撑石墨烯薄膜(Adv.Funct.Mater.2013,23,2972–2978)，该方法主要利用水蒸气冷凝形成的有序排列的水珠为模板来实现规则蜂窝状多孔石墨烯薄膜的制备。其缺点是制备的薄膜中孔洞的尺寸只能在微米量级，且很难实现大面积薄膜材料的制备。利用喷墨打印技术将石墨烯墨水逐点喷打在衬底上即可连成一定的石墨烯图形(Adv.Mater.2011,23,2113–2118)、利用高温原子力探针在氧化石墨烯薄膜上接触扫描可以在扫描轨迹上实现还原石墨烯图形(AppliedPhysicsLetters2010,29,133301)、利用激光可以在氧化石墨烯薄膜表面扫描直写得到还原石墨烯图案(Adv.Mater.,2010,22,67)。但这些方法均是串行的加工方法，难以实现图形化石墨烯薄膜的低成本、高效率、规模化制造，且制备的石墨烯薄膜都需要在一定的基底上，无法实现自支撑的图案化的柔性石墨烯导电薄膜的制备。因此，需要发展一种新的制造方法，实现图案化的自支撑石墨烯导电薄膜的低成本、高效率、规模化制造。
技术实现思路
本专利技术克服现有技术中制备图案化石墨烯导电薄膜存在的问题，提供一种表面具有微结构图案的柔性自支撑石墨烯导电薄膜及其制备方法。该方法制备简单，操作方便，对设备、工艺要求简单，原料利用率高，成本低，可实现大规模工业化生产。制备的自支撑石墨烯膜柔韧性好、导电性高，表面微结构图案可调。本专利技术的技术方案为：一种表面具有微结构图案的柔性自支撑石墨烯导电薄膜，表面具有微结构图案，厚度为100nm～1mm，电导率为1x104～1x105S/m，能够进行0～180°的弯曲；通过以下方法制备：通过在表面具有微结构图案的母模板中填充硝基纤维素溶液，干燥后剥离，得到带有相反微结构的硝基纤维素薄膜作为基底；将硝基纤维素基底进行等离子体表面处理，并将氧化石墨烯溶液填充到带有微结构的硝基纤维素基底上干燥成膜，将得到的氧化石墨烯薄膜放入氢碘酸水溶液中加热还原，同时去除硝基纤维素基底，得到和母模板具有相同微结构图案的柔性自支撑石墨烯导电薄膜。制备所述的表面具有微结构图案的柔性自支撑石墨烯导电薄膜的方法，具体包括以下步骤：(1)在表面具有微结构图案的母模板中填充硝基纤维素溶液，干燥成膜后，将硝基纤维素从母模板上剥离，得到带有相反微结构的硝基纤维素薄膜作为基底；(2)将带有微结构的硝基纤维素基底进行等离子体表面处理，并将氧化石墨烯溶液填充到处理过的硝基纤维素基底，真空干燥得到氧化石墨烯薄膜；(3)将氧化石墨烯薄膜连同基底一起放入氢碘酸水溶液中，然后在密闭的条件下加热进行还原反应，同时去除硝基纤维素基底，得到悬浮在氢碘酸溶液表面的具有和母模板相同微结构图案的自支撑石墨烯导电膜，洗净晾干，即得成品。母模板上的微结构为有序或无序微结构图案，微结构图案水平方向结构尺寸为5μm～1mm，垂直方向结构尺寸为5μm～1mm。母模板的材质为无机材料或有机材料。所述的硝基纤维素溶液浓度为3～12wt％。所述的氧化石墨烯水溶液是按照改进的Hummers法，以石墨为原料，制备得到的氧化石墨烯水溶液，所述的氧化石墨烯水溶液的浓度为0.2～5mg/ml，其中所述的氧化石墨烯大小在100nm～5μm。步骤(1)中，真空干燥温度为50～100℃，时间为2～6h。所述的氢碘酸水溶液浓度为47～80wt.％。步骤(2)还原反应温度为50～200℃，时间1～5h，氢碘酸与氧化石墨膜的质量比为5～30:1。表面具有微结构图案的柔性自支撑石墨烯导电薄膜在柔性电子、柔性显示、可穿戴式传感、储能器件中的应用。有益效果：(1)本专利技术利用具有微结构图案的硝基纤维素薄膜作为基底，利用氢碘酸还原氧化石墨烯薄膜的同时去除硝基纤维素薄膜，实现具有微结构图案的柔性自支撑石墨烯导电膜的制备。操作简单，实验步骤少、对设备、工艺要求不高、成本低，可实现大面积批量生产。(2)本专利技术制备的石墨烯导电膜的微结构图案可通过硝基纤维素基底，即母模板的微结构图案来控制。通过加工不同的微结构图案的母模板，即可制的具有不同微结构图案的自支撑石墨烯导电膜。(3)本专利技术制备的石墨烯导电膜的大小可通过控制固体基底的大小来控制，通过控制氧化石墨烯的用量可控制石墨烯薄膜的厚度，制备的自支撑石墨烯薄膜的厚度在100nm～1mm；(4)制备的具有微结构图案的自支撑石墨烯薄膜柔韧性好(可实现石墨烯薄膜0～180度的弯曲)、导电性高(石墨烯薄膜的电导率为1x104～1x105S/m)，有望用于柔性电子、超级电容、可穿戴式传感等方面。附图说明图1图案化的柔性自支撑石墨烯导电薄膜的制备工艺流程图。图2实施例1制备的表面孔阵列的柔性自支撑石墨烯导电薄膜的扫描电子显微镜图。图3实施例1制备的表面孔阵列的柔性自支撑石墨烯导电薄膜的IV曲线。图4实施例1制备的表面孔阵列的柔性自支撑石墨烯导电薄膜弯曲180度的照片。具体实施方式下面通过实施例进一步描述本专利技术的特征，但本专利技术并不局限于下述实例。依据本专利技术公开的技术，对于本领域中的普通技术人员来说，结合已有技术完全可以实现高导电的柔性自支撑石墨烯薄膜的制备。一种表面具有微结构图案的柔性自支撑石墨烯导电薄膜，通过在表面具有微结构图案的母模板中填充硝基纤维素溶液，干燥后剥离，得到带有相反微结构的硝基纤维素薄膜作为基底。将硝基纤维素基底进行等离子体表面处理，并将氧化石墨烯溶液填充到带有微结构的硝基纤维素基底上干燥成膜，将得到的氧化石墨烯薄膜放入氢碘酸水溶液中加热还原，同时去除硝基纤维素基底，得到和母模板具有相同微结构图案本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面具有微结构图案的柔性自支撑石墨烯导电薄膜，其特征在于，表面具有微结构图案，厚度为100nm～1mm，电导率为1x104～1x105S/m，能够进行0～180°的弯曲；通过以下方法制备：通过在表面具有微结构图案的母模板中填充硝基纤维素溶液，干燥后剥离，得到带有相反微结构的硝基纤维素薄膜作为基底；将硝基纤维素基底进行等离子体表面处理，并将氧化石墨烯溶液填充到带有微结构的硝基纤维素基底上干燥成膜，将得到的氧化石墨烯薄膜放入氢碘酸水溶液中加热还原，同时去除硝基纤维素基底，得到和母模板具有相同微结构图案的柔性自支撑石墨烯导电薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种表面具有微结构图案的柔性自支撑石墨烯导电薄膜，其特征在于，表面具有
微结构图案，厚度为100nm～1mm，电导率为1x104～1x105S/m，能够进行0～180
°的弯曲；通过以下方法制备：通过在表面具有微结构图案的母模板中填充硝基
纤维素溶液，干燥后剥离，得到带有相反微结构的硝基纤维素薄膜作为基底；将
硝基纤维素基底进行等离子体表面处理，并将氧化石墨烯溶液填充到带有微结构
的硝基纤维素基底上干燥成膜，将得到的氧化石墨烯薄膜放入氢碘酸水溶液中加
热还原，同时去除硝基纤维素基底，得到和母模板具有相同微结构图案的柔性自
支撑石墨烯导电薄膜。
2.制备权利要求1所述的表面具有微结构图案的柔性自支撑石墨烯导电薄膜的方法，
其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)在表面具有微结构图案的母模板中填充硝基纤维素溶液，干燥成膜后，将硝基
纤维素从母模板上剥离，得到带有相反微结构的硝基纤维素薄膜作为基底；
(2)将带有微结构的硝基纤维素基底进行等离子体表面处理，并将氧化石墨烯溶液
填充到处理过的硝基纤维素基底，真空干燥得到氧化石墨烯薄膜；
(3)将氧化石墨烯薄膜连同基底一起放入氢碘酸水溶液中，然后在密闭的条件下加
热进行还原反应，同时去除硝基纤维素基底，得到悬浮在氢碘酸溶液表面的具
有和母模板相同微结构图案的自支撑石墨烯导电膜，洗净晾干，即得成品。
3.根据权利要求2所述的制备表面具有微结构图案的柔性自支撑石墨烯导电薄膜的
方法，其特征在于，母模板上的微结构为有序或无序...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐华，路一飞，项建新，顾忠泽，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32