[发明专利]大尺寸石墨烯-金属精细颗粒复合膜及其制法与用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属精细颗粒嵌入的大尺寸石墨烯复合膜,以及其制备方法和在电极方面的应用。

背景技术

2004年，Geim等首次剥离了高取向的单原子层纳米石墨片-石墨烯，石墨烯便成为了继石墨、金刚石、碳纳米管、富勒烯之后的第五种碳元素同素异形体。单层石墨烯是目前己知的人工合成的最薄材料，是真正意义上的二维(2D)原子晶体材料。为此，Geim获得了2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯可以被看作是石墨被剥离形成的单片层，经原子力显微镜测试得知其厚度相当于一个碳原子层(约0.35nm)，碳原子之间以六角环形排列构成，其中每个碳原子以σ键和其余三个碳原子紧密相连，石墨烯优异的力学性能来源于C-C键。每个碳原子拥有四个价电子，且均贡献出一个未成键的π电子，石墨烯良好的导电性即源自于π电子在晶体中的自由移动。石墨烯还具有优异的电学性质这是因为石墨烯的导带和价带相交于费米能级的六个顶点上，这意味着石墨烯是一类零带隙半导体；同时石墨烯中电子传输的阻力极小，其运动速度几乎达到光速的1/300，远远超越了一般导体中电子的运动，这使得石墨烯具有良好的导电性；石墨烯还具有高达2×105cm²V^-1S^-1的载流子迁移率；石墨烯还具有不规则量子霍尔效应，这是由于其特有的能带结构导致空穴和电子相互分离产生。以sp²杂化轨道排列的石墨烯中的σ键赋予了石墨烯极好的力学性能。Lee等人通过原子力显微镜测量石墨烯的模量和本征强度，数值分别为1100GPa和125GPa，超过了金刚石。同时，石墨烯内部各碳原子间的连接极为柔韧，在施加外部机械力时，碳原子面以弯曲变形来适应外力，从而避免了碳原子重新排列，保持了系统结构的稳定，因而石墨烯的强度百倍于世界上最好的钢铁。

目前，石墨烯分子膜的制备方法主要由4种，如下：

1、化学气相沉积法(CVD)，以乙烯为碳源在镍、铜表面生长单层的石墨烯膜，该方法已经可以生长大面积的完整单(双)层石墨烯膜；

2、石墨剥落法，以石墨作为原料，利用胶带(Scotch tape)剥离而得；

3、SiC表面分子外延生长法。在SiC表面高温退火生长石墨烯。

4、Hummers合成法。氧化石墨得羟基、羧基官能团取代的氧化石墨烯，经超声剥离得到羟基、羧基等功能化的氧化石墨烯单分子层，用肼(或硼氢化钠)溶液还原即可得到导电单层石墨烯。

但石墨烯基光电器件、力学结构等均需要具备一定的支撑结构，大尺寸石墨烯薄膜的制备成为了石墨烯由实验室的基础研究走向实际应用的必然途径。国内外许多课题组展开了这方面的研制工作。现有制备技术如下：

1、滤膜过滤法制备多层石墨烯膜。将Hummers法合成的石墨烯单分子膜通过多孔的氧化铝(AAO)、聚偏氟乙烯(PVDF)滤膜抽滤，可得微米级厚度的高质量大面积石墨烯膜。

2、石墨烯多层膜电化学沉积制备多层石墨烯膜。以CVD生长的石墨烯/Cu为正极，含有Hummers合成法制备的氧化石墨烯为电解质溶液，加入适当的导电电解质如离子液以提高溶液的导电能力，在石墨烯/Cu电极上电化学沉积多层石墨烯。

3、化学偶联制备多层石墨烯膜。氧化石墨烯分子膜的表面含有活性的羟基、羧基官能团，这些官能团与一些共价偶联剂发生化学反应，形成石墨烯膜。

4、制备导电纳米粒子/石墨烯复合膜。石墨烯单分子膜上的缺陷区域可协助无机纳米粒子如Au、Ag、Cu等的生成。使用这些纳米粒子的前体如HAuCl₄等，经还原可得导电性能增强的纳米粒子/石墨烯复合膜。

与石墨烯相关专利较多，与本专利想相关的专利如下。