[发明专利]一种电导率可控的石墨烯导电纸的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳材料的改性和应用领域，具体为一种电导率可控的石墨烯导电纸的制备方法。

背景技术

石墨烯是拥有sp2杂化轨道的二维碳原子晶体，单层原子厚度的石墨，具有二维蜂状网格结构，是目前世界上最薄的材料。墨烯具有优异的电学、热学和力学性能，室温下电子迁移率可达200，000cm²V^-1S^-1，是传统半导体硅材料的上百倍，热导率达5，000W m^-1K^-1，杨氏模量可达1100Gpa，比表面积可达2，630m²g^-1，另外还有一些特殊的传导现象，如量子霍尔效应。在众多石墨烯的性质当中，导电性无疑是最受人们关注的，石墨烯优良的电学性能使其在电极、超级电容器、电子器件、传感器、复合材料等领域有着非常广泛的应用前景，而导电性能可控的石墨烯则使人们能够在一定范围内根据需要改变石墨烯的电导率则有着更为巨大的应用潜力，尤其在半导体电子器件领域。

石墨烯的制备方法有很多种，例如机械剥离法、氧化还原法、外延生长法、气相沉积法等，其中用化学法还原氧化石墨烯是制备石墨烯最常用的方法。尽管用重氮盐对石墨烯等碳材料进行修饰改性已经被人们所熟知(J.R.Lomeda，C.D.Doyle，D.V.Kosynkin，W.-F.Hwang and J.M.Tour，Journal of the American Chemical Society，20084816201)，但是对改性后的石墨烯的导电性并没有进行深入研究。本发明旨在利用共价键改性方法有度地破坏石墨烯共轭体系以达到调节其导电性的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电导率可控的石墨烯导电纸的制备方法，将石墨烯的电导率控制在半导体器件的应用范围之内，最大限度地发挥石墨烯优良的电学、光学和机械性能。

为了实现上述目的，本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种电导率可控的石墨烯导电纸的制备方法，包括以下步骤：

(1)预处理过程

1)取2g石墨、1g五氧化二磷、3-5ml浓硫酸、1g过硫酸钾，混合加热至80℃：

2)在75℃-80℃条件下保温20-40min，使混合液进行氧化；

3)氧化结束后，自然冷却至室温，再用15-20ml蒸馏水稀释混合物，抽滤，将抽滤后所剩的滤饼用蒸馏水冲洗至中性；

(2)氧化过程

1)取2g滤饼与45～50ml0℃浓硫酸混合，并向混合液中缓慢加入5～6g高锰酸钾粉末，不断搅拌，在搅拌过程中温度控制在20℃以下；

2)将步骤1)中的混合物置于30-40℃的油浴中搅拌反应2h；

3)反应结束后加入90～100ml蒸馏水稀释后继续反应15min，待15min结束后，加入250～300ml蒸馏水终止反应；

4)上述步骤结束后向混合物中加入5ml浓度为30％的过氧化氢溶液后再进行抽滤，抽滤过后，剩下的滤饼用250ml的盐酸溶液冲洗；

5)将冲洗后的滤饼分散于水中制得氧化石墨烯的分散液；

(3)还原过程：将氧化石墨烯的分散液用蒸馏水稀释后再用氨水调节pH为9-11，然后加入适量水合肼，在75-95℃油浴中搅拌反应1-2h制得石墨烯分散液；

(4)修饰过程

1)取0.01mol苯胺溶于3ml浓盐酸和14ml蒸馏水配成的溶液中，将温度降至0℃，缓慢滴加亚硝酸钠溶液，过滤得到滤液；

2)向滤液中加入1.48g四氟硼酸钠后降温至0℃以下，得到白色沉淀，抽滤，用冰水和冷乙醚先后冲洗所得重氮盐；

3)取适量步骤(3)中所得的石墨烯分散液，用超声波细胞粉碎机粉碎15～20分钟，制得均匀的石墨烯分散液；

4)将石墨烯分散液与重氮盐按不同的摩尔比混合，在低温下反应0.5-1.5h；

(5)制膜测量过程：将反应后的混合液经水相膜抽滤，用蒸馏水充分冲洗，在空气中自然干燥6-12h，然后用真空干燥以便除去基底膜得到石墨烯膜，用四探针系统测量薄膜的方阻并换算电导率。

所述水相膜的孔径为0.22μm～0.45μm。

有益效果

本发明利用重氮盐定量破坏石墨烯的共轭结构达到控制石墨烯电导率的目的，电导率可控的石墨烯在电学器件、电极等领域有着广泛的应用前景。

具体实施方式