CN108793129A - 一种异质石墨烯膜及其制备方法 - Google Patents

一种异质石墨烯膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超薄异质石墨烯膜及其制备方法，该石墨烯膜由纳米级石墨烯膜经过单面氟化或者氢化得到步骤得到。单面石墨烯经过3000摄氏度高温处理，内部几乎没有缺陷(<0.1％)，导热导电性能较强；氢化或者氟化面，石墨烯膜单面共轭结构被破坏，导电导热性能极差。因此石墨烯膜单向导热。同时相对薄的石墨烯厚度以及半缺陷的石墨烯结构，使得其具有一定的透明性。此石墨烯膜可用作透明单向导电导热器件。

Description

一种异质石墨烯膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及高性能纳米材料及其制备方法，尤其涉及一种超薄异质石墨烯膜及其制备方法。
背景技术
2010年，英国曼彻斯特大学的两位教授Andre GeiM和Konstantin Novoselov因为首次成功分离出稳定的石墨烯获得诺贝尔物理学奖，掀起了全世界对石墨烯研究的热潮。石墨烯有优异的电学性能(室温下电子迁移率可达2×105cM2/Vs)，突出的导热性能(5000W/(MK)，超常的比表面积(2630M2/g)，其杨氏模量(1100GPa)和断裂强度(125GPa)。石墨烯优异的导电导热性能完全超过金属，同时石墨烯具有耐高温耐腐蚀的优点，而其良好的机械性能和较低的密度更让其具备了在电热材料领域取代金属的潜力。
宏观组装氧化石墨烯或者石墨烯纳米片的石墨烯膜是纳米级石墨烯的主要应用形式，常用的制备方法是抽滤法、刮膜法、旋涂法、喷涂法和浸涂法等。通过进一步的高温处理，能够修补石墨烯的缺陷，能够有效的提高石墨烯膜的导电性和热导性，可以广泛应用于智能手机、智能随身硬件、平板电脑、笔记本电脑等随身电子设备中去。
但是目前，石墨烯膜在垂直方向都是双向导通的，石墨烯膜只能用于导热和散热，不能进行热封锁。而在日常生活中，热吸收和热封锁结合应用非常广泛，特别是家居应用：吸收太阳能，并将热量传递给房屋，但内部热量，不能向外扩散，保证了房屋的保暖效果；反之，保证房屋清凉。同理，此类设计也可以应用于衣物，调节皮肤附近温度。
目前，所用的单向导通热设计的方案主要是调整材料密度，一面材料密度高，一面材料密度低，且常用物质为聚合物，例如PE等。但是其存在一个重大问题，PE等聚合物本身导热性较差，其对于导热的调控作用比较微弱，体感效果不明显。而石墨烯本身垂直导热比聚合物高几十倍，经过热设计后，其对导热的调控能力得到极大提升。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种异质石墨烯膜及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种异质石墨烯膜，沿厚度方向分成两部分，一部分由无缺陷石墨烯构成，ID/IG<0.001，另一部分由氢化或氟化处理后的石墨烯构成。由无缺陷石墨烯构成的部分的厚度为异质石墨烯膜整体厚度的2/3以上。
一种异质石墨烯膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硝酸刻蚀的氧化石墨烯配制成浓度为0.5-10ug/mL氧化石墨烯水溶液，以AAO膜为基底抽滤成膜；在未干之前加入无刻蚀的氧化石墨烯溶液，继续抽滤成膜，在AAO膜表面形成石墨烯异质膜。异质膜的厚度不大于100nm。
(2)将表面贴附有石墨烯异质膜的AAO膜转移至密闭容器中，80-100℃HI熏蒸2-12h。
(3)将石墨烯异质膜从AAO膜上剥离，其中一面由刻蚀的氧化石墨烯构成，另一面由无刻蚀的氧化石墨烯构成；
(4)将剥离后的石墨烯异质膜用3000度高温处理1-2小时；
(5)对刻蚀面进行氢化或氟化处理，破坏表面共轭结构，最终得到异质石墨烯膜。
进一步地，步骤3中的剥离方法为：将表面贴合有石墨烯异质膜的AAO以石墨烯异质膜所在的面朝上，置于水面上；按压AAO，使得AAO下沉，得到漂浮于水面的石墨烯异质膜。
进一步地，所述步骤3中，按压位置为AAO的边缘。
进一步地，所述AAO基底膜的表面的孔隙率不小于40％。
进一步地，步骤3中的剥离方法为：将融化的樟脑均匀涂敷在石墨烯异质膜表面，并于室温下冷却，石墨烯异质膜和AAO自动分离；将分离后的粘附有樟脑的石墨烯异质膜置于60度环境下，挥发樟脑直至完全去除。
本发明所制备的石墨烯膜具有两面，一面结构完美，一面共轭结构破坏严重，在此设计下热量只可以单向传递。进一步地，本发明通过特殊的剥离方法，使得基底上超薄石墨烯膜的剥离成为可能，为其单向高导热奠定了基础，可用于制备透明的单向导热器件。
附图说明
图1为异质石墨烯结构设计图。
图2为双层石墨烯拉曼图。
图3为石墨烯双向传热热导率对比图。
图4为对比例1的截面图。
图5为AAO基底膜剥离石墨烯膜的流程示意图；
图6为实施例1AAO基底膜剥离石墨烯膜的实验过程图；
图7为对比例2MCE基底膜剥离石墨烯膜的实验过程图。
具体实施方式
一种异质石墨烯膜的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将硝酸刻蚀的氧化石墨烯配制成浓度为0.5ug/mL氧化石墨烯水溶液，以孔隙率为50％的AAO膜为基底抽滤成膜，膜的厚度为2nm；在未干之前加入5ug/mL无刻蚀的氧化石墨烯溶液，继续抽滤成膜，厚度达到10nm，在AAO膜表面形成石墨烯异质膜。
(2)将表面贴附有石墨烯异质膜的AAO膜转移至密闭容器中，80℃HI熏蒸12h。
(3)将石墨烯异质膜从AAO膜上剥离，其中一面由刻蚀的氧化石墨烯构成，另一面由无刻蚀的氧化石墨烯构成；剥离方法为：将表面贴合有石墨烯异质膜的AAO以石墨烯异质膜所在的面朝上，置于水面上，如图5a和6a；按压AAO基底膜，如图6b，AAO基底膜开始下沉，如图6c，最后，AAO基底膜沉于杯底，石墨烯膜(虚线圈内)漂浮于水面，如图5b和6d。
(4)将剥离后的石墨烯异质膜用3000度高温处理1小时；
(5)对刻蚀面进行氟化处理，破坏表面共轭结构，得到石墨烯膜。
将上述石墨烯膜的两面分别进行拉曼测试，如图2所示，其中一面的低峰小，表明其缺陷极少，ID/IG<0.001，晶体结构完美，为低缺陷石墨烯面；另一面低峰极大，表明其氟化程度高，缺陷多，为氟化面。
利用皮秒激光散射法侧向上述石墨烯膜的单向导热性能，如图3所示，从图中可以看出，由低缺陷石墨烯面至氟化石墨烯面，其导热率达到12W/mK；由氟化石墨烯面至低缺陷石墨烯面，其导热率达为0.5W/mK。
实施例2
(1)将硝酸刻蚀的氧化石墨烯配制成浓度为5ug/mL氧化石墨烯水溶液，以孔隙率为30％的AAO膜为基底抽滤成膜，膜的厚度为27nm；在未干之前加入10ug/mL无刻蚀的氧化石墨烯溶液，继续抽滤成膜，厚度达到100nm，在AAO膜表面形成石墨烯异质膜。
(2)将表面贴附有石墨烯异质膜的AAO膜转移至密闭容器中，100℃HI熏蒸2h。
(3)将石墨烯异质膜从AAO膜上剥离，其中一面由刻蚀的氧化石墨烯构成，另一面由无刻蚀的氧化石墨烯构成；剥离方法为：将融化的樟脑均匀涂敷在石墨烯异质膜表面，并于室温下冷却，石墨烯异质膜和AAO自动分离；将分离后的粘附有樟脑的石墨烯异质膜置于60度环境下，挥发樟脑直至完全去除。
(4)将剥离后的石墨烯异质膜用3000度高温处理2小时；
(5)对刻蚀面进行氢化处理，破坏表面共轭结构，得到石墨烯膜。
将上述石墨烯膜的两面分别进行拉曼测试，其中一面的低峰小，表明其缺陷极少，ID/IG<0.001，晶体结构完美，为低缺陷石墨烯面；另一面低峰极大，表明其氟化程度高，缺陷多，为氟化面。利用皮秒激光散射法侧向上述石墨烯膜的单向导热性能，由低缺陷石墨烯面至氟化石墨烯面，其导热率达到3W/mK；由氟化石墨烯面至低缺陷石墨烯面，其导热率达为0.1W/mK。
实施例3
(1)将硝酸刻蚀的氧化石墨烯配制成浓度为10ug/mL氧化石墨烯水溶液，以孔隙率为40％的AAO膜为基底抽滤成膜，膜的厚度为12nm；在未干之前加入10ug/mL无刻蚀的氧化石墨烯溶液，继续抽滤成膜，厚度达到40nm，在AAO膜表面形成石墨烯异质膜。
(2)将表面贴附有石墨烯异质膜的AAO膜转移至密闭容器中，100℃HI熏蒸2h。
(3)将石墨烯异质膜从AAO膜上剥离，其中一面由刻蚀的氧化石墨烯构成，另一面由无刻蚀的氧化石墨烯构成；剥离方法为：表面贴合有石墨烯异质膜的AAO以石墨烯异质膜所在的面朝上，置于水面上；按压AAO边缘，使得AAO下沉，得到漂浮于水面的石墨烯异质膜。
(4)将剥离后的石墨烯异质膜用3000度高温处理2小时；
(5)对刻蚀面进行氢化处理，破坏表面共轭结构，得到石墨烯膜。
将上述石墨烯膜的两面分别进行拉曼测试，其中一面的低峰小，表明其缺陷极少，ID/IG<0.001，晶体结构完美，为低缺陷石墨烯面；另一面低峰极大，表明其氟化程度高，缺陷多，为氟化面。利用皮秒激光散射法侧向上述石墨烯膜的单向导热性能，由低缺陷石墨烯面至氟化石墨烯面，其导热率达到8W/mK；由氟化石墨烯面至低缺陷石墨烯面，其导热率达为0.3W/mK。
对比例1
(1)将硝酸刻蚀的氧化石墨烯配制成浓度为10ug/mL氧化石墨烯水溶液，以孔隙率为40％的AAO膜为基底抽滤成膜，膜的厚度为57nm；在未干之前加入10ug/mL无刻蚀的氧化石墨烯溶液，继续抽滤成膜，厚度达到184nm，在AAO膜表面形成石墨烯异质膜。
(2)将表面贴附有石墨烯异质膜的AAO膜转移至密闭容器中，100℃HI熏蒸2h。
(3)由于异质膜较厚，可直接将石墨烯异质膜从AAO膜上剥离。
(4)将剥离后的石墨烯异质膜用3000度高温处理2小时；
(5)对刻蚀面进行氟化处理。
利用皮秒激光散射法侧向上述石墨烯膜的单向导热性能，由低缺陷石墨烯面至氟化石墨烯面，其导热率达到0.4W/mK，这是由于内部产生大量气泡，如图4所示；由氟化石墨烯面至低缺陷石墨烯面，其导热率达为0.1W/mK。
对比例2
以孔隙率为50％的MCE基底膜沉积实施例1中所述的异质膜，以石墨烯膜所在的面朝上，置于水面上，图7a所示，按压MCE基底膜边缘，MCE基底膜不下沉，图7b所示，石墨烯膜剥离失败。
需要说明的是，抽滤法是目前公认的最均匀制备石墨烯膜的方法，在一定的抽滤液量下，可以调控浓度来对石墨烯膜的厚度进行控制，厚度最低可以是一层石墨烯，随着石墨烯浓度的增加，在压力作用下，新增的石墨烯逐步填充到第一层石墨烯的间隙，使得第一层石墨烯逐步完全填充，进而发展成第二层，不断重复以上步骤，可以制备厚度跨越2层到上万层石墨烯的石墨烯纳米膜。

Claims (7)

1.一种异质石墨烯膜，其特征在于，沿厚度方向分成两部分，一部分由低缺陷石墨烯构成，ID/IG<0.001,另一部分由氢化或氟化处理后的石墨烯构成。
2.根据权利要求1所述的石墨烯膜，其特征在于，由无缺陷石墨烯构成的部分的厚度为异质石墨烯膜整体厚度的2/3以上。
3.一种异质石墨烯膜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将硝酸刻蚀的氧化石墨烯配制成浓度为0.5-10ug/mL氧化石墨烯水溶液，以AAO膜为基底抽滤成膜；在未干之前加入无刻蚀的氧化石墨烯溶液，继续抽滤成膜，在AAO膜表面形成石墨烯异质膜。异质膜的厚度不大于100nm。
(2)将表面贴附有石墨烯异质膜的AAO膜转移至密闭容器中，80-100℃HI熏蒸2-12h。
(3)将石墨烯异质膜从AAO膜上剥离，其中一面由刻蚀的氧化石墨烯构成，另一面由无刻蚀的氧化石墨烯构成；
(4)将剥离后的石墨烯异质膜用3000度高温处理1-2小时；
(5)对刻蚀面进行氢化或氟化处理，破坏表面共轭结构，最终得到异质石墨烯膜。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3中的剥离方法为：将表面贴合有石墨烯异质膜的AAO以石墨烯异质膜所在的面朝上，置于水面上；按压AAO，使得AAO下沉，得到漂浮于水面的石墨烯异质膜。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，按压位置为AAO的边缘。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述AAO基底膜的表面的孔隙率不小于40％。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3中的剥离方法为：将融化的樟脑均匀涂敷在石墨烯异质膜表面，并于室温下冷却，石墨烯异质膜和AAO自动分离；将分离后的粘附有樟脑的石墨烯异质膜置于60度环境下，挥发樟脑直至完全去除。
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