[发明专利]一种基于石墨烯的光驱动材料的制备方法及其应用

说明书

技术领域

 本发明涉及光驱动材料的制备，特别是一种基于石墨烯的光驱动材料的制备方法以及应用。

背景技术

近现代物理学发展起来之前，辐射压的概念已被用来解释彗尾的形成与方向性，利用太阳光的辐射压即光压为空间航行的飞行器提供推动力的原型设想就被开普勒提出。近现代物理学特别是麦克斯韦电磁场理论发展起来之后，辐射压的形成及强度等问题可以使用经典物理学或者量子力学从理论角度进行计算，另一方面，辐射压也在二十世纪初期被物理学家利用实验加以证实和测量。对辐射压的应用研究随即在二十世纪下半页广泛开展。

激光技术的发展促成了利用光压俘获、操纵目标物体的实现及基于此原理的光学镊子等技术的发明。这些目标物体可以是纳米尺度的原子、分子或者离子，微米尺度的介电粒子、灰尘粒子或者聚苯乙烯等聚合物微粒，以及细胞或者亚细胞尺度上的对象例如活细胞、蛋白分子、细菌或者病毒等。但是，到目前为止，这一技术的俘获及操纵对象仍然局限在微观尺度，其尺寸均在纳米和微米量级，另一方面，这种操纵的移动范围和移动速度往往也在微米量级。此技术的相关操作均需要在显微镜下进行，且无法实现对宏观目标的俘获及操纵，这就使得这一技术始终被禁锢在微观世界。 

光压的另外一项重要应用—太阳帆飞行器也于二十世纪后期被广泛研究。由于光压是一个非常小的力，在近地轨道上，太阳光在一平方米全反射面积上产生的推动力约为0.9达因即9 μN，这就使得光压推进成为一种小推力大比冲的推进方式。如果要利用光压为一定重量的有效载荷提供推进力，并且这种推进力要足够使其在可接受的时间内加速到空间飞行所需要的宇宙速度，那么唯一的途径就是提高“太阳帆”这一结构的有效反射面积。这就对太阳帆的材料选择，制造工艺，展开技术及使用寿命等带来了极大的挑战。所以到目前为止，太阳帆飞行器中只有IKAROS太阳帆飞船一例技术验证实验取得成功。

在太空这一真空环境中，太阳光是唯一稳定、连续且无限供给的能量来源。如果发展新型的材料或技术，能够实现在宏观尺度上非常有效的光驱动，并且这种作用提供的推动力远远大于光压能够提供的推动力，那么其将对利用太阳光实现有效的空间飞行具有重大意义。此外，这种对宏观物体在宏观尺度上的控制和驱动，同样可以应用于制造其它环境下使用的光驱动装置，例如宏观尺度上的“光镊”技术。除此之外，利用材料对光的响应特性，同样可以发展光探测装置或光控制装置。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种基于石墨烯的光驱动材料的制备方法及其应用，该方法制备的光驱动材料具有良好的光吸收性能，且在光的照射下，具有一系列特性：如光致驱动特性，可以被光推动、举起或旋转；如电子发射特性，可以产生能够被检测的电流信号；基于这些特性，这种材料可以被用于制备太空飞行器和其他光驱动装置、光探测装置或光控制装置。

本发明的技术方案：

一种基于石墨烯的光驱动材料的制备方法，步骤如下：

1）将氧化石墨烯分散在有机溶剂中，经搅拌、超声处理，使得氧化石墨烯充分、良好地分散，得到有机分散液； 

2）将上述分散液转移到高压溶剂热反应釜中，然后将釜密封，放入预加热的烘箱中，在温度为180℃下进行高温溶剂热反应，反应时间为12-18小时，待反应釜冷却至室温后，取出充满反应溶剂的石墨烯材料，置于容器中；

3）将上述石墨烯材料中充满的反应溶剂置换为水；

4）将上述充满水的石墨烯材料在温度为-60℃至-40℃下进行冷冻干燥处理； 

5）将上述冷冻干燥处理后的石墨烯材料在惰性气氛或真空度不高于10Pa环境中于800-1200℃下进行高温焙烧1小时，制得基于石墨烯的光驱动材料。

所述氧化石墨烯为由石墨烯中碳原子按照六角晶格排列组成的片状分子结构骨架上，含有各种含氧官能团从而形成的二维平面材料，其中含氧官能团为羧基、羰基、羟基或环氧键，氧化石墨烯的单片面积为1m²-3000μm²，单片厚度为0.6-2.0 nm，含氧量为10–50wt%。

所述有机溶剂为甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇和丙酮中的一种或两种以上任意比例的混合物。

所述有机分散液中氧化石墨烯的浓度为0.2-5mg/mL，通过改变溶液使用量和反应釜的尺寸，使最终的基于石墨烯的光驱动材料的密度为0.3-14mg/cm³，单块材料的体积为2-200cm³。

本发明中制备的基于石墨烯的光驱动材料具有以下一系列特征：