[发明专利]一种高强高导电石墨烯薄膜的制备方法

说明书

一种高强高导电石墨烯薄膜的制备方法，将氧化石墨烯(GO)溶液经真空抽滤制得自支撑GO薄膜；在正交双轴外力牵引下，将该GO薄膜浸泡在10,12‑二十五碳二炔‑1‑醇(PCO)溶液中进行化学交联，再紫外光照得到共价交联的取向的氧化石墨烯(GO‑PCO)薄膜；继续在正交双轴外力牵引下，将GO‑PCO薄膜浸泡在氢碘酸和乙醇的混合溶液中进行化学还原，得到共价交联的取向的石墨烯(G‑PCO)薄膜；继续在正交双轴外力牵引下，将G‑PCO薄膜依次浸泡在1‑芘丁酸N‑羟基琥珀酰亚胺酯和1‑氨基芘溶液中，制得高强高导电石墨烯(SB‑BS‑rGO)薄膜。

技术领域

本发明涉及一种高强高导电石墨烯薄膜的制备方法，属于石墨烯薄膜材料制备技术领域。

背景技术

石墨烯作为一种二维单原子层碳膜，具有优异的力学和电学性能，在航空航天、汽车、柔性电子器件等领域具有广泛的应用(Adv.Mater.2016,28,7862.)，因此，将微米尺度的石墨烯纳米片组装成宏观高性能的石墨烯薄膜具有重要意义。然而，在该组装过程中，存在以下两个关键科学问题：(1)石墨烯片层间界面作用弱，导致应力传递效率低；(2)石墨烯纳米片易褶皱，导致片层取向度低、薄膜不密实。这极大降低了石墨烯薄膜的物理化学性能，从而限制了其实际应用。因此，如何同时提升石墨烯薄膜的取向度、密实度和界面作用，是实现石墨烯大规模商业应用的一个主要技术瓶颈。

在过去十余年，科学家们通过外力诱导取向和界面交联等策略，已经制备了一些高性能石墨烯薄膜。例如，任文才等人利用连续离心浇铸法(Nat.Commun.2018,9,3484.)，通过离心力和剪切力，制备了高取向密实化石墨烯薄膜，其拉伸强度高达660MPa，电导率约为650S/cm；高超等人基于氧化石墨烯(GO)层间插入溶剂分子的塑化效应(Nat.Commun.2020,11,2645.)，制备了高取向石墨烯薄膜，其拉伸强度高达1.1GPa，电导率约为1100S/cm。虽然这些外力取向策略可以在一定程度上提升石墨烯薄膜的力学和电学性能，然而由于石墨烯片层间界面作用较弱，其力学性能仍远低于单层石墨烯纳米片；此外，这些外力取向策略不能大幅度提高石墨烯纳米片的取向度，例如高超等人(Nat.Commun.2020,11,2645.)制备的取向石墨烯薄膜的最高取向度仅为0.93，这也限制了石墨烯薄膜的力学和电学性能。

另一方面，Liao等人在石墨烯层间引入氢键交联作用(Adv.Mater.2012,24,3426.)，提升了石墨烯薄膜的拉伸强度，却降低了其导电性能；石高全等人在石墨烯层间引入π-π共轭作用(J.Am.Chem.Soc.2008,130,5856.)，制备了导电石墨烯薄膜；程群峰等人采用共价交联作用(Angew.Chem.Int.Ed.2013,52,3750.)，提升了石墨烯薄膜的拉伸强度和韧性；Tsukruk等人利用石墨烯和纤维素纳米晶之间的界面协同强韧作用(Adv.Mater.2016,28,1501.)，提升了石墨烯薄膜的拉伸强度和模量，却降低了其导电性能；最近石高全等人基于纤维素纳米晶诱导的拓扑结构和界面协同强韧效应(Adv.Mater.2017,29,1702831.)，提升了石墨烯薄膜的拉伸强度(765MPa)，却降低了其电导率(1105S/cm)。从以上报道可以看出，虽然传统界面交联策略可以增强石墨烯片层间界面作用，提升石墨烯薄膜的力学性能，但是界面交联剂通常阻碍电子在石墨烯纳米片之间传输，从而降低石墨烯薄膜的电学性能。最近，程群峰等人(Matter2019,1,389.)证实长链π-π共轭作用不仅可以增强石墨烯片层间界面强度，而且可以提升石墨烯纳米片的取向度，因此可以同时提升石墨烯薄膜的力学和电学性能。然而，由于这种长链π-π共轭作用不能大幅度提升取向度，因此制得的石墨烯薄膜仍然具有较低的拉伸强度(1054MPa)和电导率(1192S/cm)。