[发明专利]一种微型石墨烯气凝胶器件的制备方法

说明书

本发明首次提出一种微型石墨烯气凝胶器件的制备方法，通过结合原位打印和溶液塑化发泡，制备得到了微尺寸的石墨烯气凝胶阵列式器件，且其具有优异的柔性及稳定性，可适合于多种应用场所，如传感、储能等。本发明所提供的阵列传感器具有极高的稳定性，因此具有较高的精度及可靠性，结合深度机器学习可赋予机器智能学习识别的功能，为下一代人工智能的发展起到极大的推动。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种微型石墨烯气凝胶器件的制备方法及其应用。

背景技术

随着科学技术的进步，设备都倾向于柔性化及微型化进行发展，目前微型化设备主要集中于成熟的硅基的CMOS工艺进行制造，但是由于其性能有限，对于许多复杂的环境很难进行性能兼容，因此急需发展新型的材料及工艺弥补这一问题。石墨烯是由单层的碳原子以sp2杂化形式构筑的纳米碳材料，其导带与价带相交于狄拉克点，从而致使其具有超快的电子传输速度，其具有极高的导电、导热及力学性能，是最具有希望解决微型化器件的材料之王。但是由于石墨烯之间具有极强的范德华作用力，从而在宏观组装材料中维持其单层的性质，限制了其应用。

石墨烯气凝胶，由单层或少层的石墨烯片层与空气所搭接的三维多孔网络而成，从而利用间隙削弱了层间作用力，可发挥其固有的性能，得到许多的应用研究。当材料中纳米厚度的石墨烯受到微弱外界的刺激，如力、电、热、声音等，材料整体信号产生扰动，从而可实现多种刺激的探测；此外，由于石墨烯气凝胶中多孔结构的存在，为其电荷离子提供了较多的传输通道，因此在能源储存领域也发挥了不可忽视的作用。但是，石墨烯气凝胶目前主要采用冷冻模板法制备而成，但是由于冷冻结冰过程中冰晶很难避免缺陷的存在，因此导致其性能大幅度降低，且后续繁琐的模板去除也导致其很难进行微型化、集成化及大规模化生产。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微型石墨烯气凝胶器件的制备方法，其主要是利用原位发泡在器件的基底上获得微型级别的石墨烯气凝胶单元，该方法主要是将氧化石墨烯以溶液的形式滴加至器件表面，然后在器件表面实现原位发泡，提高了气凝胶器件的精密性。

上述的滴加可以采用3D打印来实现，3D打印具有极高的精度，所得气凝胶阵列可实现微型化，且所得气凝胶的稳定性较为优异，因此可以获得具有较高分辨率的石墨烯气凝胶阵列式传感器。

本发明的另一个目的在于提供一种微型石墨烯气凝胶器件的制备方法，其主要是结合溶剂塑化和原位气泡的产生，该方法区别于现有的热塑性发泡，其是在溶液环境下，塑化剂渗入到膜材料中，降低膜材料内部的分子间作用力，降低发泡阻力；同时，解决了非热塑性材料的发泡难题，提高了气凝胶器件的稳定性。

为了实现上述任一目的，本申请采用如下方案：以氧化石墨烯溶液为墨水，打印在器件的基底上，经过固化后，滴加含有发泡剂的极性溶液，使得氧化石墨烯发生塑化发泡，经过干燥还原后在器件基底上得到微型石墨烯气凝胶单元。

或采用如下等同方案：

以掺有发泡剂的氧化石墨烯溶液为墨水，打印在器件的基底上，经过固化后，滴加极性溶液，使得氧化石墨烯发生塑化发泡，经过干燥还原后在器件基底上得到微型石墨烯气凝胶单元。

上述的发泡剂包括自发泡剂和反应型发泡剂，所述反应型发泡剂为可通过与氧化石墨烯含氧官能团反应并产生气体的发泡剂，包括但不限于水合肼、硼氢化盐，所述自发泡剂为可分解产生气体的发泡剂，包括但不限于碳酸氢盐。

作为本领域的公知常识，引发自发泡剂发泡的方法包括但不限于：加入引发剂、加热；其中所述的引发剂引发所述发泡剂前驱体产生气体。