CN110808114A - 一种石墨烯复合材料的透明电极 - Google Patents

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Abstract

一种石墨烯复合材料的透明电极，包括衬底基板和形成于所述基板上的导电层；所述的导电层包括石墨烯复合材料；所述的石墨烯复合材料的制备方法包括：(1)配制镧铁氧体混合溶液；(2)向混合溶液中加入氧化石墨烯溶液并于180℃下水热反应得到石墨烯‑多孔铁酸镧复合材料；所述的石墨烯复合材料的透明电极的制备方法包括：(1)向石墨烯‑多孔铁酸镧复合材料中加入醇类溶剂，并在恒温水浴的条件下进行搅拌获得涂布溶液；(2)将涂布溶液涂布在衬底基板上，经固化处理得到石墨烯复合材料的透明电极；本发明通过一步水热法得到了石墨烯‑多孔铁酸镧复合材料，工艺简单，操作便捷，所制备的石墨烯复合材料透明电极具有低电阻、高透光率和可弯曲的优良性质。

Description

一种石墨烯复合材料的透明电极
技术领域
本发明涉及一种石墨烯复合材料的透明电极。
背景技术
透明电极是太阳能电池、OLED显示器、触摸屏等光电器件的核心组成部分之一。目前，在手机触摸屏、汽车导航仪、电视等众多领域广泛应用的透明电极材料是光电性能良好的氧化锡铟(ITO)。但是ITO化学性质和热学性质不稳定、价格昂贵、具有脆性、材料组分中In有毒且在高温磁控溅射制备ITO过程中只有3％～30％的有效利用率，这些缺陷都导致ITO不能满足未来光电器件大功率、柔性、轻便、低廉、绿色环保等更严格的要求。
透明导电薄膜如碳纳米管、金属薄膜、石墨烯等吸引了研究者的广泛关注，其中石墨烯具有载流子迁移率高、机械柔韧性好以及透过率高等特性，用石墨烯取代ITO作为有机电致发光器件的阳极具有巨大的潜力。石墨烯的极高的载流子迁移率、巨大的比表面积、良好的透光性和断裂强度、优于碳纳米管的热导率以及室温下异常量子霍尔效应等等特性，使其在太阳能电池、触摸屏、场效应晶体管、高频器件、自旋器件等等诸多领域具有潜在应用。而这些应用中大部分涉及其电学性质，本征石墨烯零带隙的特性严重限制了其应用，导致了其透光率、导电性、稳定性也不能满足透明电极的要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决以上现有技术的不足，提出了一种石墨烯复合材料的透明电极，所述石墨烯复合材料的透明电极包括衬底基板和导电层；所述导电层形成于衬底基板上；所述导电层包括石墨烯-多孔铁酸镧复合材料；所述石墨烯-多孔铁酸镧复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)配制镧和铁的硝酸盐溶液并加入柠檬酸得到镧铁氧体混合溶液；
(2)用Hummers法制备氧化石墨烯，将步骤(1)中的混合溶液与氧化石墨烯按质量比为1:0.01-0.05混合，搅拌均匀并于180℃下水热反应得到还原氧化石墨烯-多孔铁酸镧复合材料；
优选地，所述的镧、铁硝酸盐溶液和柠檬酸的混合溶液中，硝酸镧、硝酸铁和柠檬酸的摩尔配比为1:1:1.2-1.5。
优选地，所述的氧化石墨烯与混合溶液的水热反应时间为8-24h。
所述石墨烯复合材料的透明电极的制备方法包括如下步骤：
(1)向石墨烯-多孔铁酸镧复合材料中加入醇类溶剂和粘结剂，并在恒温水浴的条件下进行搅拌获得涂布溶液；
(2)将涂布溶液涂布在衬底基板上，经固化处理得到柔性透明电极。
优选地，所述的石墨烯-多孔铁酸镧复合材料和醇类溶剂的比例为1g:(5-10)ml；所述的石墨烯-多孔铁酸镧复合材料和粘结剂的比例为1g:1.5-3ml。
优选地，所述的醇类溶剂为甲醇、乙醇或异丙醇中的一种；所述的粘结剂为聚丙烯酰胺、聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮中的一种。
优选地，所述的恒温水浴条件为40-70℃。
优选地，所述的衬底基板为硅片、玻璃或聚酯薄膜中的一种。
优选地，所述的涂布次数为1-5次，涂布时间为5-20s。
本发明的有益效果如下：
1、本发明的石墨烯复合多孔铁酸镧，因为相对于单元氧化物来说，双元氧化物有较高的结构性质：通过控制金属前驱体的物质的量比，可以一定范围内调控氧化物的形貌与晶体结构；更高的比表面积；稳定性显著增强等。因此具有大比表面积、多尺度孔道结构的多孔铁酸镧，因其独特的量子尺寸效应，小尺寸效应和宏观量子隧道效应，大大提高了石墨烯的热稳定性、导电性和机械性能，另外由于铁酸镧特有的钙钛矿结构，导致其光学带隙较窄，电子-空穴对复合率较低，使得所制备的石墨烯复合材料透明电极具有低电阻、高透光率和可弯曲的优良性质。
2、本发明所述的石墨烯-多孔铁酸镧复合材料通过一步水热法得到，工艺简单，操作便捷，化学修饰的石墨烯带有含氧基团，与铁酸镧之间以化学键形式结合，使得多孔铁酸镧强有力的粘附在石墨烯片层间，利于石墨烯和铁酸镧间的载荷传递。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种石墨烯复合材料的透明电极，所述的石墨烯复合材料的透明电极的制备方法包括如下步骤：
(1)配制镧和铁的硝酸盐溶液并加入柠檬酸得到镧铁氧体混合溶液；所述的硝酸镧、硝酸铁和柠檬酸的摩尔配比为1:1:1.2；
(2)用Hummers法制备氧化石墨烯，将步骤(1)中的混合溶液与氧化石墨烯按质量比为1:0.02混合，搅拌均匀并于180℃下水热反应8h得到还原氧化石墨烯-多孔铁酸镧复合材料；
(3)向石墨烯-多孔铁酸镧复合材料中加入乙醇和聚乙烯吡咯烷酮，并在40℃恒温水浴的条件下进行搅拌获得涂布溶液；所述的石墨烯-多孔铁酸镧复合材料和乙醇的比例为1g:5ml；所述的石墨烯-多孔铁酸镧复合材料和聚乙烯吡咯烷酮的比例为1g:1.5ml；
(4)将涂布溶液涂布在衬底基板上，经固化处理得到柔性透明电极；所述的衬底基板为硅片；所述的涂布次数为2次；所述的涂布时间为10s。
经测试，所实施例制备的石墨烯复合材料透明电极的方块电阻为3-150Ω/sq，透光率为89.7-93.4％。
实施例2
一种石墨烯复合材料的透明电极，所述的石墨烯复合材料的透明电极的制备方法包括如下步骤：
(1)配制镧和铁的硝酸盐溶液并加入柠檬酸得到镧铁氧体混合溶液；所述的硝酸镧、硝酸铁和柠檬酸的摩尔配比为1:1:1.3；
(2)用Hummers法制备氧化石墨烯，将步骤(1)中的混合溶液与氧化石墨烯按质量比为1:0.04混合，搅拌均匀并于180℃下水热反应12h得到还原氧化石墨烯-多孔铁酸镧复合材料；
(3)向石墨烯-多孔铁酸镧复合材料中加入乙醇和聚乙烯吡咯烷酮，并在50℃恒温水浴的条件下进行搅拌获得涂布溶液；所述的石墨烯-多孔铁酸镧复合材料和乙醇的比例为1g:7ml；所述的石墨烯-多孔铁酸镧复合材料和聚乙烯吡咯烷酮的比例为1g:2ml；
(4)将涂布溶液涂布在衬底基板上，经固化处理得到柔性透明电极；所述的衬底基板为硅片；所述的涂布次数为4次；所述的涂布时间为15s。
经测试，所实施例制备的石墨烯复合材料透明电极的方块电阻为5-100Ω/sq，透光率为91.2-97.8％。
实施例3
一种石墨烯复合材料的透明电极，所述的石墨烯复合材料的透明电极的制备方法包括如下步骤：
(5)配制镧和铁的硝酸盐溶液并加入柠檬酸得到镧铁氧体混合溶液；所述的硝酸镧、硝酸铁和柠檬酸的摩尔配比为1:1:1.5；
(6)用Hummers法制备氧化石墨烯，将步骤(1)中的混合溶液与氧化石墨烯按质量比为1:0.05混合，搅拌均匀并于180℃下水热反应24h得到还原氧化石墨烯-多孔铁酸镧复合材料；
(7)向石墨烯-多孔铁酸镧复合材料中加入乙醇和聚乙烯吡咯烷酮，并在70℃恒温水浴的条件下进行搅拌获得涂布溶液；所述的石墨烯-多孔铁酸镧复合材料和乙醇的比例为1g:10ml；所述的石墨烯-多孔铁酸镧复合材料和聚乙烯吡咯烷酮的比例为1g:3ml；
(8)将涂布溶液涂布在衬底基板上，经固化处理得到柔性透明电极；所述的衬底基板为硅片；所述的涂布次数为5次；所述的涂布时间为20s。
经测试，所实施例制备的石墨烯复合材料透明电极的方块电阻为20-300Ω/sq，透光率为90.4-95.3％。
上述实施例制备的石墨烯复合材料透明电极与不同材料透明电极的性能数据的对比汇总如下：
透过率(％) 方块电阻(Ω/sq)
实施例1 89.7-93.4 3-150
实施例2 91.2-97.8 5-100
实施例3 90.4-95.3 20-300
对比例 70 1000
对比例为中国专利CN 104145311 B公开的一种透明电极的性能数据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种石墨烯复合材料的透明电极，其特征在于，包括衬底基板和导电层；所述导电层形成于衬底基板上；所述导电层包括石墨烯-多孔铁酸镧复合材料；所述石墨烯-多孔铁酸镧复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)配制镧和铁的硝酸盐溶液并加入柠檬酸得到镧铁氧体混合溶液；
(2)用Hummers法制备氧化石墨烯，将步骤(1)中的混合溶液与氧化石墨烯按质量比为1:0.03-0.05混合，搅拌均匀并于180℃下水热反应得到还原氧化石墨烯-多孔铁酸镧复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合材料的透明电极，其特征在于，所述的镧、铁硝酸盐溶液和柠檬酸的混合溶液中，硝酸镧、硝酸铁和柠檬酸的摩尔配比为1:1:1.3-1.5。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合材料的透明电极，其特征在于，所述的氧化石墨烯与混合溶液的水热反应时间为8-24h。
4.一种石墨烯复合材料的透明电极，其特征在于，所述石墨烯复合材料的透明电极的制备方法包括如下步骤：
(1)向石墨烯-多孔铁酸镧复合材料中加入醇类溶剂和粘结剂，并在恒温水浴的条件下进行搅拌获得涂布溶液；
(2)将涂布溶液涂布在衬底基板上，经固化处理得到柔性透明电极。
5.根据权利要求4所述的一种石墨烯复合材料的透明电极，其特征在于，所述的石墨烯-多孔铁酸镧复合材料和醇类溶剂的比例为1g:(5-10)ml；所述的石墨烯-多孔铁酸镧复合材料和粘结剂的比例为1g:1.5-3ml。
6.根据权利要求4所述的一种石墨烯复合材料的透明电极，其特征在于，所述的醇类溶剂为甲醇、乙醇或异丙醇中的一种；所述的粘结剂为聚丙烯酰胺、聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮中的一种。
7.根据权利要求4所述的一种石墨烯复合材料的透明电极，其特征在于，所述的恒温水浴条件为40-70℃。
8.根据权利要求4所述的一种石墨烯复合材料的透明电极，其特征在于，所述的衬底基板为硅片、玻璃或聚酯薄膜中的一种。
9.根据权利要求4所述的一种石墨烯复合材料的透明电极，其特征在于，所述的涂布次数为1-5次，涂布时间为5-20s。
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