[发明专利]材料及其应用

说明书

发明领域

本发明涉及石墨烯基材料，其生产方法及其用途。更具体地，本发明涉及石墨烯凝胶，优选水凝胶，它可例如在储能或转化装置，例如超级电容器，电池，燃料电池，太阳能电池和促动器中使用，用作高性能复合材料的结构单元，在传感器，生物医学和诊断装置，分离膜和药物控释装置中使用。

发明背景

石墨烯是一种芳族传导聚合物，它包括在平面蜂窝网络内sp²-键合的单层碳原子。由于其导电性和导热性，机械强度和刚性，化学稳定性和高的比表面积性能，因此石墨烯聚合物在许多技术领域，例如纳米电子，传感器，分离/过滤，纳米复合材料，电池，超级电容器和储氢中具有巨大的前景。然而，大量地生产可加工的石墨烯片材的有效方法是成功地商业开发的主要障碍。

与碳纳米管和许多其他纳米材料一样，在合成与加工大批量石墨烯片材中的关键挑战是聚集。鉴于它们高的比表面积，和除非彼此很好地分离，否则石墨烯片材倾向于形成不可逆的聚集体或者可甚至再层叠(restack)，形成石墨，这是范德华力相互作用的结果导致的。旨在通过化学转化或者热膨胀/缩小，大规模生产石墨烯的在先努力遇到了这一问题。对于石墨烯片材来说，防止聚集是尤其重要的，因为许多它们的独特性能仅仅与该材料的非聚集形式有关。

可通过固定其他分子或聚合物到片材上，减少聚集。然而，存在外来的稳定剂对于许多应用来说是非所需的。特别地，其他分子或聚合物可阻挡(block)石墨烯的一部分表面积且可降低导电率。

因此，需要新型或改进的石墨烯-基材料，其中石墨烯片材分离，但稳定，因此可有效地利用单独的石墨烯片材的性能。

通过真空过滤原样还原(as-reduced)的分散体，在膜滤器上形成均匀的石墨烯纸膜(paper film)。可从膜滤器中剥离掉自立式的石墨烯纸，它可弯曲且具有闪耀的金属光泽。发现在室温下石墨烯纸的导电率为约7200S/m，这与化学改性的单臂碳纳米管纸相当。

过滤是由固体颗粒的悬浮液制造宏观组件的有效技术。自从远古时代以来，过滤广泛地用于制造书写纸。尽管如此，但通过过滤方法，靶标仅仅是干燥的纸张产品，和很少关注形成石墨烯纸的机理。

发明人现已确定在滤膜和待过滤的石墨烯片材的液体分散体的界面处的凝胶薄膜。当液体是水时，所形成的凝胶薄膜是水凝胶。此外，发明人确定，所生产的凝胶薄膜拥有许多有利和预料不到的性能，例如机械强度和导电性。凝胶薄膜还具有开孔结构，所述开孔结构具有单独的石墨烯片材的高度可接近的表面积，这与干燥的石墨烯纸的性能相比，得到改进。

根据本发明的凝胶薄膜包括以基本上平面的方式排列的石墨烯片材，且可按照这一方式区别于其中石墨烯片材相对于彼此无规取向(或平面)地排列的已知的三维(3D)凝胶。大多数凝胶是含有大量液体，例如水，但行为类似于固体的3D聚合物网络，这是由于液体内部聚合物的交联网络导致的。据报道，若分散液的浓度超过临界值(即，0.5mg/ml)，则石墨烯片材在水中形成3D凝胶。所得3D水凝胶包括石墨烯片材的高度多孔的无规交联的3D网络。然而，在溶液中形成的3D水凝胶发脆，这限制了其实际的商业应用。Xu等人还在标题为:Self-assembled graphene hydrogel via a one-step hydrothermal process(ACS Nano(2010)4(7)pp4324-4330)的杂志文章中报道了3D水凝胶。通过在高压釜内，在180℃下，水热还原石墨烯氧化物的均匀的含水分散液(0.5-2mg/ml)1-12小时，制备3D凝胶。所得3D水凝胶包括沿着其层叠方向有序性差的石墨烯片材的网络。由于该片材三维受限和由于石墨烯自身硬质的事实导致3D水凝胶的机械挠性、pH响应或者传导性不如含以基本上平面方式排列的石墨烯片材的凝胶。含以基本上平面方式排列的石墨烯片材的凝胶也可形成为比3D凝胶薄的薄膜，这使得它们更加容易集成到一些器件内。

发明概述

根据本发明的第一方面，提供一种凝胶膜，它包括被分散介质至少部分隔开且以基本上平面的方式排列形成导电基体的石墨烯的片材或者化学转化的石墨烯。

现已发现，石墨烯片材在液体内可显示出胶凝行为，可控制所述胶凝行为，导致传导的凝胶膜。形成凝胶所使用的液体可以是有机液体，在此情况下，凝胶是有机凝胶。或者，形成凝胶所使用的液体是水(或基本上含水的溶剂)，从而导致水凝胶。