一种三维多孔石墨烯薄膜材料、制备方法及其应用-k8凯发

本发明属于薄膜制备，具体涉及一种三维多孔石墨烯薄膜材料、制备方法及其应用。

背景技术：

1、石墨烯是一种新兴的二维材料，其中碳原子完全由共价键相连接，且紧密排列在一起，通过测试，石墨烯的强度极限可达42n/m，其抗拉强度可达125gpa，弹性模量为1.1tpa，此外，单层的石墨烯具有良好的透光性能，对于可见光区域，石墨烯片层的吸光率仅为2.3％，石墨烯在室温下的热导率达到3000w m-1k-1，在室温下的电子迁移率为250000cm2 v-1s-1，电导率也有106s/m，是目前室温电导率数值最大的材料。为了将石墨烯应用于宏观领域，就要制备石墨烯基的宏观体材料，包括一维的纤维，二维的薄膜，以及三维的石墨烯泡沫。

2、目前，化学气相沉积，溶剂热自组装等方法都可以用于三维石墨烯的制备，制备得到的材料具有良好的机械稳定性，高比表面积，和优异的导电导热能力，在光电，能源，传感，催化等领域应用广泛。溶剂热自组装是指将氧化石墨烯溶液置于高温高压的环境，使其表面的含氧官能团进行缩合和交联，得到三维多孔结构。氧化石墨烯具有两亲性特征，可以稳定分散在水，乙醇，乙二醇等溶剂之中，得到的三维石墨烯能够保持单层石墨烯的结构和性质。

3、目前溶剂热法制得的石墨烯泡沫材料受限于溶剂热反应釜的形状，一般得到的是圆柱状的块体材料，再经过激光切割成特定形状，难以对厚度，尺寸等参数进行精确控制，也很难直接形成三维多孔薄膜结构。而且石墨烯泡沫本身的结构性较弱，力学性能较差，其多孔的表面虽然有利于高效的吸光，但是也会影响到其与电极或者其他材料的接触。

技术实现思路

1、本发明在于提供一种三维多孔石墨烯薄膜材料的制备方法，以实现多孔石墨烯膜材料均匀可控的制备。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种三维多孔石墨烯薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)使用聚酰亚胺双面胶带将两片玻璃片的两侧粘在一起；

5、(2)配制氧化石墨烯(go)溶液，装入水热釜之中，将粘好的玻璃片浸渍其中，抽真空静置一段时间使go溶液充分进入到玻璃的夹层之中；

6、(3)进行溶剂热反应，而后自然冷却至室温，将双层玻璃片小心的剥离，使用乙醇和水进行清洗，再经过冷冻干燥就得到了自支撑的三维多孔石墨烯薄膜材料，或者直接湿法转移至刚性或柔性基底，烘干得到有基底的三维多孔石墨烯薄膜材料，最后再经过高温退火处理，通过调节聚酰亚胺双面胶带的厚度，可以精确地控制得到的三维石墨烯薄膜的厚度。

7、进一步地，步骤(1)中所述玻璃片的厚度0.2-3mm，表面光滑。

8、进一步地，步骤(1)中所述聚酰亚胺双面胶带的厚度100-2000μm，可以通过叠加粘贴多层胶带实现厚度的精准控制。

9、进一步地，步骤(2)中所述的氧化石墨烯为单层氧化石墨烯或多层(2-10层)氧化石墨烯，优选为单层氧化石墨烯；所述氧化石墨烯溶液中氧化石墨烯的浓度为0.2 -10mg/ml。

10、进一步地，步骤(3)中溶剂热过程的溶剂选自水、甲醇、乙醇、乙二醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、叔丁醇、n,n-二甲基甲酰胺、四氢呋喃和丙酮中的一种或两种以上任意比例的混合物。

11、进一步地，步骤(3)中溶剂热过程的添加剂选自硫酸、硝酸、盐酸、磷酸中的一种或多种，添加比例为溶剂体积的0.01％-2％，酸性添加剂的使用可以有效增强溶剂热过程中的氢键，实现三维石墨烯结构的有效交联。

12、进一步地，步骤(3)中溶剂热温度所述溶剂热反应温度为80 -200℃，反应时间为5-24h。

13、进一步地，步骤(3)中所述溶剂热反应后，将双层玻璃片剥离，使用乙醇和水进行反复清洗。

14、进一步地，步骤(3)中湿法转移的基底包括硅片、石英片、玻璃片、亚克力板的刚性基底或者聚乙烯醇(pva)、聚酯(pet)、聚酰亚胺(pi)、聚萘二甲酯乙二醇酯(pen)、纸片、纺织材料的柔性基底，转移之后进行真空干燥，真空干燥温度50-150℃，干燥时间6-48h。

15、进一步地，步骤(3)中高温退火在惰性气氛中进行，退火温度为400-2000℃，时间为1-12h。

16、进一步地，步骤(3)中冻干得到的自支撑三维多孔石墨烯薄膜材料厚度在100-2000微米，湿法转移后的三维多孔石墨烯薄膜材料厚度在3-1000微米。

17、与现有技术相比，本发明具有如下技术优势：

18、本发明通过限域溶剂热法，可以用于制备厚度均匀可调控的多孔石墨烯薄膜，可以实现对厚度，孔尺寸的精准控制，可以制备自支撑薄膜或者转移到多种刚性或柔性衬底，兼容性强，在表面催化，光电探测，电磁屏蔽等领域有广泛应用前景。

技术特征：

1.一种三维多孔石墨烯薄膜材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的三维多孔石墨烯薄膜材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述玻璃片的厚度0.2-3mm，表面光滑。

3.根据权利要求1所述的三维多孔石墨烯薄膜材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述聚酰亚胺双面胶带的厚度100-2000μm，可以通过叠加粘贴多层胶带实现厚度的精准控制。

4.根据权利要求1所述的三维多孔石墨烯薄膜材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的氧化石墨烯为单层氧化石墨烯或多层(2-10层)氧化石墨烯，优选为单层氧化石墨烯；所述氧化石墨烯溶液中氧化石墨烯的浓度为0.2-10mg/ml。

5.根据权利要求1所述的三维多孔石墨烯薄膜材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中溶剂热过程的溶剂选自水、甲醇、乙醇、乙二醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、叔丁醇、n,n-二甲基甲酰胺、四氢呋喃和丙酮中的一种或两种以上任意比例的混合物；添加剂选自硫酸、硝酸、盐酸、磷酸中的一种或多种，添加比例为溶剂体积的0.01％-2％，酸性添加剂的使用可以有效增强溶剂热过程中的氢键，实现三维石墨烯结构的有效交联。

6.根据权利要求1所述的三维多孔石墨烯薄膜材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中溶剂热温度所述溶剂热反应温度为80-200℃，反应时间为5-24h；溶剂热反应后，将双层玻璃片剥离，使用乙醇和水进行反复清洗。

7.根据权利要求1所述的三维多孔石墨烯薄膜材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中湿法转移的基底包括硅片、石英片、玻璃片、亚克力板的刚性基底或者聚乙烯醇(pva)、聚酯(pet)、聚酰亚胺(pi)、聚萘二甲酯乙二醇酯(pen)、纸片、纺织材料的柔性基底，转移之后进行真空干燥，真空干燥温度50-150℃，干燥时间6-48h；高温退火在惰性气氛中进行，退火温度为400-2000℃，时间为1-12h。

8.根据权利要求1所述的三维多孔石墨烯薄膜材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中冻干得到的自支撑三维多孔石墨烯薄膜材料厚度在100-2000微米，湿法转移后的三维多孔石墨烯薄膜材料厚度在3-1000微米。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述方法制备的三维多孔石墨烯薄膜材料。

10.一种根据权利要求9所述的三维多孔石墨烯薄膜材料的应用，其特征在于，应用在包括表面催化、光电探测、电磁屏蔽领域。

技术总结
本发明公开了一种三维多孔石墨烯薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：(1)使用聚酰亚胺双面胶带将两片玻璃片的两侧粘在一起；(2)配制氧化石墨烯溶液，装入水热釜之中，将粘好的玻璃片浸渍其中，抽真空使go溶液充分进入到玻璃的夹层之中；(3)进行溶剂热反应，而后自然冷却，将双层玻璃片剥离，接着进行清洗和干燥，将得到的三维多孔石墨烯薄膜材料再经过高温退火处理，通过调节聚酰亚胺双面胶带的厚度，可以调节三维石墨烯薄膜的厚度。本发明通过限域溶剂热法，可以用于制备厚度均匀可调控的多孔石墨烯薄膜，可以实现对厚度，孔尺寸的精准控制，在表面催化，光电探测，电磁屏蔽等领域有广泛应用前景。

技术研发人员：葛震,赖浩然,李际洋,张熙贵,吴孟强
受保护的技术使用者：电子科技大学长三角研究院（湖州）
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8