[发明专利]制备石墨烯纤维的方法、石墨烯纤维、纱线、电气元件和电导体

说明书

本发明涉及制备石墨烯纤维（1）的方法，其包括以下步骤：在制备所述石墨烯纤维之前，将至少一种金属和/或至少一种金属化合物（3）引入、特别是外部掺杂，或吸附在氧化石墨烯中或其上，其中引入或吸附包括以下步骤：将氧化石墨烯分散在溶液中以使得在氧化石墨烯上沉积过渡金属化合物、特别是过渡金属氧化物，其中所述溶液通过将过渡金属氢氧化物和/或过渡金属氯化物和/或过渡金属盐、特别是过渡金属氧化物或过渡金属氢氧化物的铵盐溶解在载液中来制备，或者在氧化石墨烯的表面上沉积金属，特别是镍、铜、钯、铂、金、银或其混合物，其中用于无电沉积金属的溶液通过将待沉积的金属的盐、特别是金属的硫酸盐溶解在载液中来制备，或其中用于化学沉积金属的溶液通过将相应金属的氯化物溶解在载液中来制备，其中通过还原剂形成相应金属，所述金属沉积在氧化石墨烯上。

现有技术

本发明涉及制备石墨烯纤维的方法以及石墨烯纤维。此外，本发明还涉及包含该石墨烯纤维的纱线、电气元件和电导体。

从现有技术中已知用于掺杂石墨烯纤维的方法，其例如用于制造LED或OLED。例如KR 2013 0099535 A描述了一种方法，其中石墨烯的表面掺杂有过渡金属。这里合适的过渡金属是铱、钼、锇、铑、金和钯。US 2006/188774 A描述了用于燃料电池的基于纳米管的膜的制备。这里，金属催化剂沉积在纳米管的表面上。特别地，在使用氧化石墨烯作为制备石墨烯纤维的前体的那些方法中必要的是在掺杂可发生之前必须使用约3000℃的高温来退火(Ausheilen)源自氧化石墨烯的缺陷。因此，制备石墨烯纤维的成本本身非常高。除此之外，还有掺杂石墨烯纤维的单独步骤的成本。此外，由于随后引入掺杂剂，通过本领域已知的方法仅可使用掺杂剂例如钾或溴，其不能够长期稳定地掺杂。

发明公开内容

根据权利要求1的本发明方法克服了这些问题。根据本发明提供了一种方法，通过该方法，石墨烯纤维可以持久稳定地掺杂有至少一种金属和/或至少一种金属化合物，该方法可以廉价地且在无需高技术投入的情况下实行，并且一方面可引起石墨烯纤维中的电荷转移，和另一方面可提高石墨烯纤维的电导率。

为此，该方法在第一步骤中包括在制备石墨烯纤维之前将至少一种金属和/或至少一种金属化合物引入、特别是外部掺杂，或吸附(Anlagern)在氧化石墨烯中或其上。这意味着将至少一种元素金属或至少一种金属化合物或至少一种金属和至少一种金属化合物的混合物引入氧化石墨烯中或吸附在氧化石墨烯上。通过适当选择为此设置的金属或为此设置的金属化合物，可以有针对性地设置石墨烯纤维中的电荷转移，即p-掺杂或n-掺杂，由此石墨烯纤维特别适用于电气元件，像特别是半导体元件。替代地或额外地，通过适当选择金属和/或金属化合物，还可以有针对性地调节且特别是提高石墨烯纤维的电导率，由此该石墨烯纤维特别适合用作电动机中的电导体。

根据本发明使用的氧化石墨烯可以优选由于低成本而通过石墨的电化学或湿化学氧化而获得。

这里，引入或吸附包括将氧化石墨烯分散在溶液中，以使得在氧化石墨烯上进行过渡金属化合物、特别是过渡金属氧化物，且其中特别是MoO₃、WO₃和/或V₂O₅的沉积。在此所述溶液通过将过渡金属氢氧化物和/或过渡金属氯化物和/或过渡金属盐、特别是过渡金属氧化物或过渡金属氢氧化物的铵盐溶解在载液中来制备。通过使用上述溶液，可以确切地调节浓度和因此待施加的金属化合物的量。由此可以实现石墨烯纤维的改善的导电性。

根据本发明使用的过渡金属化合物的特征在于非常好的电气性能，主要是无毒的并且容易以通常适中的价格可得。出于上述原因，其中特别优选过渡金属氧化物或过渡金属氢氧化物的铵盐。