CN112700904A - 一种石墨烯纳米材料复合柔性电极的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的属于纳米功能材料技术领域，具体为一种石墨烯纳米材料复合柔性电极的制备方法，所述该石墨烯纳米材料复合柔性电极的制备方法流程如下：步骤一、制备溶液：取0.5g氧化石墨烯粉末，加入到250ml的去离子水中，常温超声分散3h，配置成浓度为2mg/ml，分散均匀的氧化石墨烯溶液；步骤二、分散负载：取20ml氧化石墨烯溶液加入到水热反应釜的聚四氟乙烯内胆中(25ml)，随后向其中加入0.5‑1.0g的功能纳米材料，搅拌10‑15min分散均匀后，超声15‑20min辅助氧化石墨烯对纳米材料的分散负载，使工艺流程成本降低、有着更高效率、易操控、安全无毒，减少了纳米片的堆积，同时也进一步抑制了纳米材料的团聚。
Description
技术领域
本发明涉及纳米功能材料技术领域，具体为一种石墨烯纳米材料复合柔性电极的制备方法。
背景技术
很多无机半导体(如Si、TiO2、ZnO、GaN、CdS等)材料在光电子、微电子、催化能源等领域展现出广泛的应用价值。特别是纳米级材料具有超大比表面、极短载流子迁移路径、电子态量子效应等，在光电转化、光电探测、光电催化等应用中优势显著。然而，在器件构造中如何组装功能半导体纳米材料(如：纳米线、纳米颗粒、纳米片等)并设计宏观电极，成为一个关键的挑战。纳米材料的任意堆积不仅降低有效比表面，而且接触势垒的增多会制约载流子输运，使得纳米材料的优势不能充分发挥。当前，实验室通常使用的溶胶甩膜法将纳米材料配成溶胶，利用自旋涂膜机在透明导电衬底(如：ITO、FTO等)制膜，同样存在纳米材料堆积的弊端，严重干扰光电动力过程，限制器件的光电效能。
鉴于石墨烯的高比表面(～2630m2 g-1)和高电导率(～2×105cm2 V-1 S-1)，我们认为设计石墨烯负载纳米材料的功能电极是一个创新思路。石墨烯作为超大比表面基底可以分散装载纳米材料，同时也作为电荷载流子高速传输网络，而且，石墨烯的二维超薄质地能够保证电极的机械柔韧性。尽管目前制备石墨烯的方法很多，包括机械剥离法，电化学剥离法，氧化还原法和气相传输沉积等，但如何控制石墨烯和纳米材料的自组装以实现纳米材料可控、分散、稳定的负载，仍然需要更多的有效实践方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯纳米材料复合柔性电极的制备方法，以解决上述背景技术中提出的现有的制备方法制备的复合柔性电极存在效率较低、纳米材料容易聚团、纳米材料稳定效果较差的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种石墨烯纳米材料复合柔性电极的制备方法，所述该石墨烯纳米材料复合柔性电极的制备方法流程如下：
步骤一、制备溶液：
取0.5g氧化石墨烯粉末，加入到250ml的去离子水中，常温超声分散3h，配置成浓度为2mg/ml，分散均匀的氧化石墨烯溶液；
步骤二、分散负载：
取20ml氧化石墨烯溶液加入到水热反应釜的聚四氟乙烯内胆中(25ml)，随后向其中加入0.5-1.0g的功能纳米材料，搅拌10-15min分散均匀后，超声15-20min辅助氧化石墨烯对纳米材料的分散负载；
步骤三、加热：
配制的混合溶液封闭在聚四氟乙烯内胆中，放入钢制反应釜中，升温至180-200℃水热反应12h，随后自然冷却；
步骤四、滤纸吸水：
待冷却至室温，打开反应釜，取出三维圆柱状负载纳米材料的多孔石墨烯，并用滤纸重复多次吸水；
步骤五、冷冻干燥：
将三维柱状块体放入冷冻干燥箱，使用液氮降温至负55—负60℃，进行冷冻干燥；
步骤六、高温退火：
将冷冻干燥后的三维石墨烯放入陶瓷舟内，置于管式炉中高温退火，在管式炉加热之前，通气流量均为517sccm的氩气半个小时，以清洗管式炉，接着使用机械泵将管式炉抽真空至压强为7.5×10-2Torr，开启炉子升温程序：升温速率为10℃/min，直至550-580℃，并保持30分钟，在加热过程中保持氩气的流量为26sccm，并一直使用机械泵维持炉内压强稳定在7×10-2-8×10-2Torr以内；
步骤七、冷却降温：
退火结束后，待系统冷却至室温，即可获得负载纳米材料的石墨烯柔性电极。
优选的，所述滤纸采用定量分析滤纸。
优选的，所述氧化石墨烯通过直接人工研磨成粉末状。
优选的，所述冷却干燥时间为1-2h。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过制备溶液、分散负载、加热、滤纸吸水、冷冻干燥、高温退火和冷却降温的共同配合，使工艺流程成本降低、有着更高效率、易操控、安全无毒，减少了纳米片的堆积，同时也进一步抑制了纳米材料的团聚。
附图说明
图1为对比显示有无纳米颗粒负载的石墨烯材料的宏观数码照片；
图2为对比显示有无纳米颗粒负载的石墨烯材料的扫描电镜照片；
图3为对比显示有无纳米颗粒负载的石墨烯材料的透射电镜照片；
图4为本发明制备方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种石墨烯纳米材料复合柔性电极的制备方法，所述该石墨烯纳米材料复合柔性电极的制备方法流程如下：
步骤一、制备溶液：
取0.5g氧化石墨烯粉末，加入到250ml的去离子水中，常温超声分散3h，配置成浓度为2mg/ml，分散均匀的氧化石墨烯溶液；
步骤二、分散负载：
取20ml氧化石墨烯溶液加入到水热反应釜的聚四氟乙烯内胆中(25ml)，随后向其中加入0.5-1.0g的功能纳米材料(如:TiO2纳米颗粒、Ag纳米线等)，搅拌10-15min分散均匀后，超声15-20min辅助氧化石墨烯对纳米材料的分散负载；
步骤三、加热：
配制的混合溶液封闭在聚四氟乙烯内胆中，放入钢制反应釜中，升温至180-200℃水热反应12h，随后自然冷却；
步骤四、滤纸吸水：
待冷却至室温，打开反应釜，取出三维圆柱状负载纳米材料的多孔石墨烯，并用滤纸重复多次吸水；
步骤五、冷冻干燥：
将三维柱状块体放入冷冻干燥箱，使用液氮降温至负55—负60℃，进行冷冻干燥；
步骤六、高温退火：
将冷冻干燥后的三维石墨烯放入陶瓷舟内，置于管式炉中高温退火，在管式炉加热之前，通气流量均为517sccm的氩气半个小时，以清洗管式炉，接着使用机械泵将管式炉抽真空至压强为7.5×10-2Torr，开启炉子升温程序：升温速率为10℃/min，直至550-580℃，并保持30分钟，在加热过程中保持氩气的流量为26sccm，并一直使用机械泵维持炉内压强稳定在7×10-2-8×10-2Torr以内；
步骤七、冷却降温：
退火结束后，待系统冷却至室温，即可获得负载纳米材料的石墨烯柔性电极；
滤纸采用定量分析滤纸；
氧化石墨烯通过直接人工研磨成粉末状；
冷却干燥时间为1-2h。
实施例1：
称取Hummers法制备的氧化石墨烯粉末0.5g，加入到250ml的去离子水中，常温超声分散3h，配置成浓度为2mg/ml，分散均匀的氧化石墨烯溶液；取20ml氧化石墨烯溶液加入到水热反应釜的聚四氟乙烯内胆中(25ml)，随后向其中加入0.5g的TiO2纳米颗粒，搅拌10min分散均匀后，超声15min辅助氧化石墨烯对纳米颗粒的分散吸附；封闭混合溶液，放入钢制反应釜中，升温至180-200℃水热反应12h，随后自然冷却至室温，打开反应釜，得到三维圆柱状材料，用滤纸反复多次吸水后将其放在-60℃下冷冻干燥24h，获得富有韧性的三维圆柱状材料。在氩气氛保护下550℃退火30min，得到石墨烯/TiO2纳米颗粒复合材料块体；
实施例2：
称取Hummers法制备的氧化石墨烯粉末0.5g，加入到250ml的去离子水中，常温超声分散3h，配置成浓度为2mg/ml，分散均匀的氧化石墨烯溶液；取20ml氧化石墨烯溶液加入到水热反应釜的聚四氟乙烯内胆中(25ml)，封闭后放入钢制反应釜中，升温至180-200℃水热反应12h，随后自然冷却至室温，打开反应釜，得到三维圆柱状材料，用滤纸反复多次吸水后将其放在-60℃下冷冻干燥24h，获得富有韧性的三维圆柱状材料。在氩气氛保护下550℃退火30min，得到无负载的纯石墨烯块体；
实施例3：
称取Hummers法制备的氧化石墨烯粉末0.5g，加入到250ml的去离子水中，常温超声分散3h，配置成浓度为2mg/ml，分散均匀的氧化石墨烯溶液；取20ml氧化石墨烯溶液加入到水热反应釜的聚四氟乙烯内胆中(25ml)，随后向其中加入0.5g的TiO2纳米颗粒，不进行搅拌和超声处理，直接将内胆封闭后放入钢制反应釜中，升温至180-200℃水热反应12h，随后自然冷却至室温，打开反应釜，得到三维圆柱状材料，用滤纸反复多次吸水后将其放在-60℃下冷冻干燥24h，获得富有韧性的三维圆柱状材料。在氩气氛保护下550℃退火30min，得到装载TiO2纳米颗粒的三维石墨烯圆柱。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种石墨烯纳米材料复合柔性电极的制备方法，其特征在于，所述该石墨烯纳米材料复合柔性电极的制备方法流程如下：
步骤一、制备溶液：
取0.5g氧化石墨烯粉末，加入到250ml的去离子水中，常温超声分散3h，配置成浓度为2mg/ml，分散均匀的氧化石墨烯溶液；
步骤二、分散负载：
取20ml氧化石墨烯溶液加入到水热反应釜的聚四氟乙烯内胆中(25ml)，随后向其中加入0.5-1.0g的功能纳米材料，搅拌10-15min分散均匀后，超声15-20min辅助氧化石墨烯对纳米材料的分散负载；
步骤三、加热：
配制的混合溶液封闭在聚四氟乙烯内胆中，放入钢制反应釜中，升温至180-200℃水热反应12h，随后自然冷却；
步骤四、滤纸吸水：
待冷却至室温，打开反应釜，取出三维圆柱状负载纳米材料的多孔石墨烯，并用滤纸重复多次吸水；
步骤五、冷冻干燥：
将三维柱状块体放入冷冻干燥箱，使用液氮降温至负55—负60℃，进行冷冻干燥；
步骤六、高温退火：
将冷冻干燥后的三维石墨烯放入陶瓷舟内，置于管式炉中高温退火，在管式炉加热之前，通气流量均为517sccm的氩气半个小时，以清洗管式炉，接着使用机械泵将管式炉抽真空至压强为7.5×10-2Torr，开启炉子升温程序：升温速率为10℃/min，直至550-580℃，并保持30分钟，在加热过程中保持氩气的流量为26sccm，并一直使用机械泵维持炉内压强稳定在7×10-2-8×10-2Torr以内；
步骤七、冷却降温：
退火结束后，待系统冷却至室温，即可获得负载纳米材料的石墨烯柔性电极。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米材料复合柔性电极的制备方法，其特征在于：所述滤纸采用定量分析滤纸。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米材料复合柔性电极的制备方法，其特征在于：所述氧化石墨烯通过直接人工研磨成粉末状。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯纳米材料复合柔性电极的制备方法，其特征在于：所述冷却干燥时间为1-2h。
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