CN105206352A - 一种石墨烯透明导电薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种石墨烯透明导电薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种石墨烯透明导电薄膜及其制备方法,首先将氧化石墨烯改性还原得到改性还原石墨烯,接着利用聚氨酯使改性还原石墨烯转移到基底上,在紫外固化的作用下,改性还原石墨烯稳固的粘结在基底上,并利用热处理的方法去除聚合物,使石墨烯薄膜具有良好的导电性和透明度。本发明提供的制备石墨烯透明导电薄膜的方法,不需要昂贵的实验设备,材料的利用率非常高;所制备的石墨烯薄膜均匀致密,均一性好。本发明有利于降低成本,节约原材料,可以适用于工业化生产,具有良好的市场应用前景。

Description

一种石墨烯透明导电薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于透明导电薄膜生产领域,特别是涉及一种石墨烯透明导电薄膜及其制备方法。
背景技术
染料敏化太阳能电池主要由上基底透明导电层、多孔纳米晶薄膜及染料敏化剂构成的光阳极、电解质和下基底透明导电层/铂催化剂构成的对电极组成。其中上基底和对电极中的导电层主要为氧化铟锡(ITO)或氟掺杂的氧化锡(FTO),此类导电层,成本较高且污染环境,从而限制了染料敏化太阳能电池的发展和应用。同时,透明导电层也广泛应用于其他类型太阳能电池,例如有机太阳能电池,量子点敏化太阳能电池,钙钛矿太阳能电池等。
石墨烯是一种单层碳原子材料,是碳的二维结构材料,呈片状结构,具有良好的导电性能,研制透明导电石墨烯薄膜,可大幅降低太阳能电池的成本。然而目前制备石墨烯导电薄膜的主要方法是化学气相沉积法(CVD),其设备昂贵,生长过程温度高,生产成本高,不适用于大规模生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用率高,成本低,设备简单可以广泛应用的石墨烯透明导电薄膜及其制备方法。本发明提供的石墨烯透明导电薄膜的制备方法,首先利用聚氨酯将改性还原石墨烯转移到基底上,在紫外固化的作用下,改性还原石墨烯稳固的粘结在基底上,然后通过热处理的方式得到石墨烯导电薄膜。本发明所提供的石墨烯透明导电薄膜的制备方法具有广阔的应用前景,尤其可以应用于太阳能电池领域。
为实现上述发明目的,本发明采用以下技术方案予以实现:
一种石墨烯透明导电薄膜的制备方法,它包括以下步骤:
(1)将氧化石墨烯加入到乙醇中搅拌得到混合物A,所述氧化石墨烯与乙醇的质量比为1:10-200,并升温至40-80℃;按照硅烷偶联剂与乙醇的质量比为1:1-20将两者充分混合后,得到混合物B;将混合物B缓慢滴加入混合物A中,随后反应2-15小时,得到混合物C;按照水合肼与混合物C的质量比为1:20-100将两者混合,反应2-15小时,经过乙醇和水清洗后,最后进行冷冻干燥得到改性还原石墨烯粉末;
(2)按照改性还原石墨烯粉末与有机溶剂的质量比为1:10-200,将改性还原石墨烯粉末分散在有机溶剂中,并超声分散6h以上得到石墨烯溶液;
(3)按照石墨烯溶液与聚氨酯的质量比为1:0.5-10,将聚氨酯加入到所述石墨烯溶液中并进行充分混合,然后将混合物均匀的涂敷在基底上形成薄膜;
(4)将涂敷于基底上的薄膜在紫外光下辐照一定时间;
(5)再将涂敷有薄膜的基体置于管式炉中,在不同气氛和温度下进行热处理,得到所述石墨烯透明导电薄膜。
进一步的,所述步骤(1)中的氧化石墨烯是通过Hummers法制备而得。
进一步的:所述步骤(1)中硅烷偶联剂为γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷或乙烯基三甲氧基硅烷中的一种或几种。
进一步的:所述步骤(2)中的有机溶剂为乙酸乙酯、甲苯、异丙醇、丙酮或N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种。
进一步的:所述步骤(3)中涂敷方法为旋涂、刮涂、喷涂或滚涂中的一种。
进一步的:所述步骤(3)中基底为洗净的硅、玻璃、塑料、橡胶、金属或陶瓷中的一种。
进一步的:所述步骤(4)中将薄膜在紫外灯光下辐照1-60min。
进一步的:所述步骤(5)中气氛为氮气、氩气、氩氢混合气、真空或空气中的一种。
进一步的:所述步骤(5)中温度为200-1000℃之间。
本发明还提供了所述制备方法制得的石墨烯透明导电薄膜。
与现有技术相比,本发明的优点和技术效果是:本发明提供的石墨烯透明导电薄膜,采用石墨烯作为导电层取代现有的氧化铟锡(ITO)等导电薄膜,起导电作用。本发明提供的石墨烯透明导电薄膜,具有成本低和电导率高的优点,而且其制备过程简单,适用于大范围使用,可以促进石墨烯在太阳能电池领域中的广泛应用。
附图说明
图1表明本发明中改性石墨烯含量及不同处理条件对石墨烯薄膜导电率的影响。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细的说明。
实施例1
本实施例所述的石墨烯透明导电薄膜的制备方法包括以下步骤:
1、通过Hummers法制备得到氧化石墨烯,取0.5g所述氧化石墨烯,分散于100g乙醇中得到混合物A,升温到60℃;
将1g乙烯基三甲氧基硅烷溶于10g乙醇中得到浓度为10%的混合溶液,即混合物B;再将混合物B缓慢滴加到混合物A中,60℃下搅拌反应3h得到混合物C;
将5ml水合肼加入到混合物C中,75℃下搅拌反应10h;最后分别用乙醇和去离子水进行抽滤洗涤,并冷冻干燥得到改性还原石墨烯粉末;
2、通过超声分散将0.1g所述改性还原石墨烯粉末分散于20g乙酸乙酯溶剂中得到石墨烯溶液;
3、将所述石墨烯溶液与聚氨酯按1:3质量比例混合,通过旋涂法,将混合物均匀的涂敷于玻璃基底上,得到透明度为73%,电阻率为352Ω·cm的石墨烯透明导电薄膜。
实施例2
本实施例所述的石墨烯透明导电薄膜的制备方法包括以下步骤:
1、通过Hummers法制备得到氧化石墨烯,取0.5g所述氧化石墨烯,分散于100g乙醇中得到混合物A,升温到60℃;
将1g乙烯基三甲氧基硅烷溶于10g乙醇中得到浓度为10%的混合溶液,即混合物B,再将混合物B缓慢滴加到混合物A中,60℃下搅拌反应3h得到混合物C;
将5ml水合肼加入到混合物C中,75℃下搅拌反应10h;最后分别用乙醇和去离子水进行抽滤洗涤,并冷冻干燥得到改性还原石墨烯粉末;
2、通过超声分散将0.1g所述改性还原石墨烯粉末分散于20g乙酸乙酯溶剂中得到石墨烯溶液;
3、将所述石墨烯溶液与聚氨酯按1:3质量比例混合,通过旋涂法,将混合物均匀的涂敷于玻璃基底上;
4、然后将涂敷于基底上的薄膜在紫外光下辐照30min,得到透明度为73%,电阻率为47Ω·cm的石墨烯透明导电薄膜。
实施例3
本实施例所述的石墨烯透明导电薄膜的制备方法包括以下步骤:
1、通过Hummers法制备得到氧化石墨烯,取0.5g所述氧化石墨烯,分散于100g乙醇中得到混合物A,升温到60℃;
将1g乙烯基三甲氧基硅烷溶于10g乙醇中得到浓度为10%的混合溶液,即混合物B,再将混合物B缓慢滴加到混合物A中,60℃下搅拌反应3h得到混合物C;
将5ml水合肼加入到混合物C中,75℃下搅拌反应10h;最后分别用乙醇和去离子水进行抽滤洗涤,并冷冻干燥得到改性还原石墨烯粉末;
2、通过超声分散将0.1g所述改性还原石墨烯粉末分散于20g乙酸乙酯溶剂中得到石墨烯溶液;
3、将所述石墨烯溶液与聚氨酯按1:3质量比例混合,通过旋涂法,将混合物均匀的涂敷于玻璃基底上;
4、然后将涂敷于基底上的薄膜在紫外光下辐照30min;
5、最后将辐照后的薄膜置于管式炉内,在通空气的情况下,500℃热处理1h。得到透明度为85%,电阻率为10Ω·cm的石墨烯透明导电薄膜。
实施例4
本实施例所述的石墨烯透明导电薄膜的制备方法包括以下步骤:
1、通过Hummers法制备得到氧化石墨烯,取0.5g所述氧化石墨烯,分散于100g乙醇中得到混合物A,升温到60℃;
将1g乙烯基三甲氧基硅烷溶于10g乙醇中得到浓度为10%的混合溶液,即混合物B,再将混合物B缓慢滴加到混合物A中,60℃下搅拌反应3h得到混合物C;
将5ml水合肼加入到混合物C中,75℃下搅拌反应10h。最后分别用乙醇和去离子水进行抽滤洗涤,并冷冻干燥得到改性还原石墨烯粉末;
2、通过超声分散将0.1g所述改性还原石墨烯粉末分散于20g乙酸乙酯溶剂中得到石墨烯溶液;
3、将所述石墨烯溶液与聚氨酯按1:3质量比例混合,通过旋涂法,将混合物均匀的涂敷于玻璃基底上;
4、然后将涂敷于基底上的薄膜在紫外光下辐照30min;
5、最后将辐照后的薄膜置于管式炉内,在氩氢混合气的保护下,500℃热处理1h。得到透明度为86%,电阻率为0.74Ω·cm的透明导电薄膜。
实验结果如图1所示,从图1中可以看出,在改性石墨烯含量相同的条件下,未经过紫外固化处理、经过紫外固化处理、经过紫外固化处理并通空气500℃热处理、经过紫外固化处理并通氩氢混合气500℃热处理的石墨烯导电薄膜导电率依次降低,所以可以证明本发明经过紫外固化处理并通氩氢混合气500℃热处理获得的石墨烯导电薄膜性能最为优异。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案,而非对其进行限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的普通技术人员来说,依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案范围。

Claims (10)

1.一种石墨烯透明导电薄膜的制备方法,其特征在于它包括以下步骤:
(1)将氧化石墨烯加入到乙醇中搅拌得到混合物A,所述氧化石墨烯与乙醇的质量比为1:10-200,并升温至40-80℃;按照硅烷偶联剂与乙醇的质量比为1:1-20将两者充分混合后,得到混合物B;将混合物B缓慢滴加入混合物A中,随后反应2-15小时,得到混合物C;按照水合肼与混合物C的质量比为1:20-100将两者混合,反应2-15小时,经过乙醇和水清洗后,最后进行冷冻干燥得到改性还原石墨烯粉末;
(2)按照改性还原石墨烯粉末与有机溶剂的质量比为1:10-200,将改性还原石墨烯粉末分散在有机溶剂中,并超声分散6h以上得到石墨烯溶液;
(3)按照石墨烯溶液与聚氨酯的质量比为1:0.5-10,将聚氨酯加入到所述石墨烯溶液中并进行充分混合,然后将混合物均匀的涂敷在基底上形成薄膜;
(4)将涂敷于基底上的薄膜在紫外光下辐照一定时间;
(5)再将涂敷有薄膜的基体置于管式炉中,在不同气氛和温度下进行热处理,得到所述石墨烯透明导电薄膜。
2.根据权利要求1中所述的石墨烯透明导电薄膜的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中的氧化石墨烯是通过Hummers法制备而得。
3.根据权利要求1中所述的石墨烯透明导电薄膜的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中硅烷偶联剂为γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷或乙烯基三甲氧基硅烷中的一种或几种。
4.根据权利要求1中所述的石墨烯透明导电薄膜的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中的有机溶剂为乙酸乙酯、甲苯、异丙醇、丙酮或N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种。
5.根据权利要求1中所述的石墨烯透明导电薄膜的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中涂敷方法为旋涂、刮涂、喷涂或滚涂中的一种。
6.根据权利要求1中所述的石墨烯透明导电薄膜的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中基底为洗净的硅、玻璃、塑料、橡胶、金属或陶瓷中的一种。
7.根据权利要求1中所述的石墨烯透明导电薄膜的制备方法,其特征在于:所述步骤(4)中将薄膜在紫外灯光下辐照1-60min。
8.根据权利要求1中所述的石墨烯透明导电薄膜的制备方法,其特征在于:所述步骤(5)中气氛为氮气、氩气、氩氢混合气、真空或空气中的一种。
9.根据权利要求1中所述的石墨烯透明导电薄膜的制备方法,其特征在于:所述步骤(5)中温度为200-1000℃之间。
10.权利要求1-9任一项所述制备方法制得的石墨烯透明导电薄膜。
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