[发明专利]一种透明石墨烯薄膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种透明石墨烯薄膜的制备方法，具体是首先利用液相剥离法制备石墨烯纳米分散液，然后通过引入一种两亲性的高分子表面活性剂，使得石墨烯纳米片转移到易挥发的有机溶剂中并形成稳定分散液，最后，利用LB成膜技术在基底上形成不同层数的石墨烯透明薄膜。与现有技术相比，本发明所述方法具有适用面广、过程简单、可操作性强、制备效率高等优点，同时，能够避免传统薄膜转移方法带来的裂纹、转移不完全等结构缺陷。

技术领域

本发明涉及纳米功能材料制备技术领域，具体是一种透明石墨烯薄膜的制备方法。

背景技术

石墨烯纳米片是碳原子由sp2杂化构成的六角形晶格形成的只有单个碳原子厚度的二维材料。石墨烯纳米片表现出众多独特的优异性质，包括极高的电子传导速率、优异的强度和导热性质，以及光透过率高等。

当前，有多种方法可以用于制备石墨烯纳米片，包括液相剥离法、微机械剥离法、化学气相沉积法、外延生长法、氧化石墨烯还原法等，这些方法各有优、缺点，分别适用于不同的应用范围。微机械剥离法和化学气相沉积法都能够得到极少结构缺陷的大尺寸的高品质石墨烯纳米片，但微机械剥离法只能得到极少量的石墨烯，不适合工业应用，气相沉积方法虽然近年来生产规模逐渐扩大，然而其衬底转移仍然是当前的难题。外延生长方法成本高，也不适用于大规模工业生产。氧化石墨烯路线因其可以大规模制备，并且得到的纳米片具有尺寸大以及化学多样性等特点，受到广泛的关注。然而由于氧化石墨烯需要极端的条件或者特殊的方法进行还原得到还原石墨烯，并且得到的还原石墨烯依然带有大量的结构缺陷，导致其性能指标较低。

液相剥离法可以大规模地制备高品质的石墨烯纳米片，并且能够避免引入氧化石墨烯类似的结构缺陷，近些年来受到广泛关注。液相剥离法通过超声或者剪切作用完成对天然石墨等的剥离得到石墨烯纳米片。这一过程可以在表面张力适宜的有机溶剂中进行，比如二甲基甲酰胺(DMF)、甲基吡咯烷酮(NMP)等，也可以在添加了表面活性剂或者高分子稳定剂的水溶液中进行。近年来发展的以膨胀石墨为原料进行液相剥离制备大尺寸的石墨烯纳米片的方法实际上是传统液相剥离方法的拓展，比如利用电化学方法、高温处理法、化学法、离子插入法得到膨胀石墨等。液相剥离法同样可以用于制备其它种类二维纳米片的制备，如二硫化钼、氮化硼、二氧化锰等。

石墨烯透明薄膜具有广泛的应用前景，如可用于太阳能电池、柔性显示、可穿戴设备等。目前以液相剥离法得到的石墨烯纳米片为原料制备石墨烯透明薄膜仍然面临大的挑战，比如方法工艺复杂、石墨烯薄膜性能差等缺点突出。方法之一是先利用抽滤的办法在滤膜上形成薄膜，然后转移到不同的基底上。这一方法缺点在于转移不完全，容易造成裂纹，或者需要通过化学方法将滤膜溶解从而得到石墨烯透明薄膜。

发明内容

本发明的目的之一是针对现有以液相剥离法得到的石墨烯纳米片为原料制备石墨烯透明薄膜技术的不足，提供一种简单的基于LB制膜技术的方法，适用于将各种液相剥离法得到的石墨烯纳米片制备成透明薄膜。本发明制备方法具有适用面广、过程简单、可操作性强、制备效率高等优点，同时能够避免传统薄膜转移方法带来的裂纹、转移不完全等结构缺陷。

为实现上述目的，本发明公开的技术方案包括：

第一方面，引入一种两亲性的高分子表面活性剂，使得液相剥离法得到的石墨烯纳米片能够从原始分散液中转移到易挥发的有机溶剂当中，并形成稳定的石墨烯分散液。

这种两亲性的高分子表面活性剂，可以包含聚还氧乙烷链段作为亲水嵌段，其包含约10～40个重复单元。这类两亲性的高分子表面活性剂，也可以包含聚环氧丙烷链段作为疏水嵌段，其包含3～20个重复单元。这类两亲性的高分子表面活性剂的疏水部份中还可以包含其它种类疏水基团，可以是苯并恶嗪基团，还可以是聚胺酯基团等。

所述两亲性的高分子表面活性剂可以但不限于以下A的结构，A合成路线也如图1所示；