[发明专利]一种提高温和热驱动氧化石墨烯相变效率的方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯技术领域，具体地，涉及一种提高温和热驱动氧化石墨烯相变效率的方法。

背景技术

氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)是一种多用途的适合溶液处理的下一代、大面积、超薄电子、光电、能源转换与存储技术的候选材料。GO是单原子层的二维功能化碳材料，基平面上具有环氧基和羟基官能团，片层边界上是羧基和乳醇。GO结构中含氧官能团的调节和空间分布控制可使其打开带隙(～1eV)，这是石墨烯应用于电子和光学器件中的一个关键因素。由于绿色可持续发展的催化剂、金属/半导体复合材料和化学/生物传感器可以多种途径利用GO中丰富的含氧基团，因此对于GO的化学官能化控制是未来许多技术所需要的。然而，当前GO制备过程中所需的苛刻化学环境会造成材料固有的化学不均一性和结构缺陷，且无法实现GO上含氧官能团的空间控制，这是限制GO在上述设备中直接应用的关键因素。这些局限性导致了较大的光学带隙(～5.6eV)和较差的电导率，会给设备的性能带来不利影响。鉴于GO表面含氧官能团的控制对GO的各种应用的影响，开发出合适的GO处理方法使得GO在保留含氧官能团的同时光学和电学性质又得到提高就显得尤为重要。

Hummers法是大规模合成GO的常用方法，得到的GO氧浓度为30-35原子百分比(at％)。迄今为止，已经发展了许多改善GO性质的方法，但几乎所有这些改进都是以降低氧含量为前提。典型的处理方法是制备出还原态氧化石墨烯(reduced GO，rGO)，氧含量降低到5-8at％。一些课题组曾试图在碱性或酸性条件下用水热法处理GO，在保留含氧官能团(15-20at％)且提高片层性能方面取得了一定进展。其他方法包括：可控化学功能化方法，如在超高真空中解离氧分子，以实现选择性的环氧基官能化，纳米分辨率的局域还原法，以及750℃的热处理法来制备一氧化石墨烯。然而，这些技术需要超高真空设备和高温系统，这使得它们不太适合大规模的GO片层处理。此外，旨在提高GO性能，且仍保留含氧基团的高通量和易于扩展的方法尚未得到充分开发。

最近，Kumar等[1]发展了一种温和的热退火过程，无需化学处理，可以对合成的GO进行大规模操控，使得在保留含氧基团的前提下提高片层的性质。实验结果和理论计算表明，通过热驱动的含氧基团的扩散，GO的结构经历了从sp²-sp³杂化混合相转变到分离成两个不同的氧化相区域和石墨烯相区域的过程。通过这种方法，含氧基团仍保留在材料中，且GO的光学和电学性质得到了大幅提高。合成的GO对光的吸收从主要的紫外区域变成对可见光区域的强烈吸收，光致发光发生蓝移，电子电导率增加了4个数量级。这一热处理方法提供了一个调控和增强GO性质且适合大规模处理的方法，为GO的各种应用提供了可能。

这种温和的热处理过程的详细操作如下：

1)GO片层在水中的悬浮液主要通过Hummers方法合成；

2)将2mL浓度为0.05wt％的GO悬浮液放入玻璃瓶内，置于80℃下的环境中，放置9(1，3，5，7，9)天(如图1所示)；

3)对处理后的GO片层进行性能测试，实验发现GO上的含氧基团在9天内逐渐扩散，GO的结构相变(分离成两个不同的氧化相区域和石墨烯相区域)在9天内逐渐形成。

现有的温和热驱动氧化石墨烯相变技术的主要缺点是反应速度慢、效率较低，需要9天的时间来逐渐完成相变过程，在实际应用中会影响GO的处理效率。

发明内容

本发明针对现有的温和热驱动氧化石墨烯相变技术的反应速度慢、效率较低的缺点，提供了一种利用界面受限水提高温和热驱动氧化石墨烯相变效率的方法，在不增加反应温度的前提下，利用受限水取代体相水，将氧化石墨烯相变反应从9天提高到2天以内。

本发明的提高温和热驱动氧化石墨烯相变效率的方法，包括以下步骤：

1)将氧化石墨烯片层材料沉积在亲水衬底表面，将载有氧化石墨烯的亲水衬底放于样品支架上；

2)将上述步骤1)的载有氧化石墨烯的支架置于含去离子水的、密闭且具有饱和湿度氛围的容器内，所述样品支架上的亲水衬底高出水面，使氧化石墨烯进行热驱动相变反应。

根据本发明的方法，优选将载有氧化石墨烯片层材料的容器置于50～120℃条件下进行热驱动相变反应，最优选地，置于80℃条件下进行热驱动相变反应。

根据本发明的方法，所述密闭容器可以是本领域公知的任何可以达到密闭效果的容器，优选为密闭保鲜盒或密闭玻璃罐等。

根据本发明的方法，所述亲水衬底的材料优选为云母或亲水玻璃等。