[发明专利]一种超薄柔性石墨烯薄膜的制备方法

说明书

本发明涉及一种超薄柔性石墨烯薄膜的制备方法，该方法以石墨为原料，经过氧化和超声处理得到氧化石墨烯分散液，然后将氧化石墨烯的分散液置于金属模具中干燥成膜，利用在超低温(‑195℃)下石墨烯和金属材料的热膨胀系数差异巨大以及液氮在室温下的鼓泡工艺进行脱模，最后进行高温退火，即可得到超薄且具有良好柔性的石墨烯薄膜，可以应用于散热薄膜材料以及柔性电子产品等领域。本发明提供的制备石墨烯薄膜的方法可以将石墨烯膜的厚度做到数量级在几个微米级，且操作方法简单，成本低廉，可操作性强，重复性好。

技术领域

本发明涉及一种超薄柔性石墨烯薄膜的制备方法，属于石墨烯薄膜材料技术领域。

背景技术

石墨烯是由单层sp²杂化碳原子组成的六方点阵蜂窝状二维结构，其独特的稳定结构使其具有不同于其他材料的优异性能。石墨烯是一种零带隙半导体材料，具有超高的载流子迁移率，是商用硅材料迁移率的140倍，达到200000cm²/V·s，高于目前已知的任何半导体材料。此外，石墨烯还具有超高的电导率、杨氏模量、断裂强度，热导率更是高达5300W·m^-1·K^-1，是已知导热系数最高的材料。石墨烯优异的性能使其在许多方面具有巨大的应用潜力。将纳米尺度的石墨烯制备成宏观的薄膜材料并保持其纳米效应，是石墨烯在散热及柔性器件等领域的重要应用途径。

目前制备石墨烯薄膜的方法主要有涂布烘干法、抽滤法、在惰性基底上自组装成膜、浸涂法等。尽管现有制备方法有很多的报道及应用，但是存在制备效率低、成本高等问题，限制了石墨烯薄膜的更广泛的商业化应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种超薄柔性石墨烯薄膜的制备方法，以石墨为原料，经过氧化和超声处理得到氧化石墨烯分散液，然后将氧化石墨烯的分散液置于金属模具中干燥成膜，利用在超低温下石墨烯和金属材料的热膨胀系数差异巨大以及液氮在室温下的鼓泡工艺进行脱模，最后进行高温退火，即可得到超薄且具有良好柔性的石墨烯薄膜，可以应用于散热薄膜材料以及柔性电子产品等领域。

本发明的技术方案为：

一种超薄柔性石墨烯薄膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)氧化石墨烯的制备：在容器中加入浓硫酸，在搅拌的状态下依次加入石墨、硝酸钠和高锰酸钾，分段控制反应温度，再加入稀硫酸，最后加入过氧化氢溶液终止反应，经过沉淀、洗涤，得到氧化石墨烯；

(2)氧化石墨烯分散液的制备：将制备的氧化石墨烯分散到去离子水中，经过搅拌、超声处理，得到稳定的氧化石墨烯分散液；

(3)氧化石墨烯薄膜的制作：将氧化石墨烯分散液置于金属模具中，在一定温度下蒸发成膜，待分散液完全干燥后，向金属模具中倒入液氮(温度为-195℃)，由于在超低温下，石墨烯和金属的热膨胀系数差异巨大，且液氮在室温下会沸腾鼓泡，从而使氧化石墨烯膜从模具中脱离，完成氧化石墨烯薄膜的制作；

(4)对制备得到的氧化石墨烯薄膜在保护气氛下进行退火处理，完成石墨烯薄膜的制备。

根据本发明优选的，步骤(1)中，石墨与浓硫酸的质量体积比为1:40，单位g/mL，石墨、硝酸钠和高锰酸钾的质量比为1:0.75:3。

根据本发明优选的，步骤(1)中，加入高锰酸钾后，温度控制在0-5℃，反应时间持续1h，此为低温反应阶段；随后将水浴温度升至32-40℃，继续反应1h，此为中温反应阶段；再向混合溶液中加入300-600mL质量分数为5％稀硫酸，将水浴温度升至90-99℃，继续反应1h，此阶段为高温反应阶段；终止反应所用过氧化氢浓度为30％，体积为10-20mL。

根据本发明优选的，步骤(3)中，所述金属模具的材质为铝和锌。铝和锌为还原性较强的金属，能够对加入到模具中的氧化石墨烯进行初步还原。

根据本发明优选的，步骤(3)中，金属模具的尺寸为10×10cm。