一種基于酯化反應(yīng)制備大面積少層氧化石墨烯薄膜的方法與流程

本發(fā)明涉及一種基于酯化反應(yīng)制備大面積少層氧化石墨烯薄膜的方法，屬于薄膜制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

石墨烯中碳原子以sp2雜化排列成蜂窩狀六角平面晶體，厚度僅為單層原子，是構(gòu)成碳納米管和富勒烯等的基本單元。在電子器件、能源儲(chǔ)存器件、復(fù)合材料、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，石墨烯是迄今為止發(fā)現(xiàn)最薄的材料，并且其電子遷移率可達(dá)15000 cm²/V·s，優(yōu)于硅晶體，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300 W/m·K，高于金剛石，電阻率僅有10 Ω·cm，比銀更低，單層對(duì)光的吸收僅有2.3 %，硬度是鋼鐵的100倍，基于石墨烯以上優(yōu)良的特性，石墨烯極有可能顛覆整個(gè)學(xué)科的發(fā)展。然而石墨烯由于強(qiáng)大的范德華力使其具有疏水性和易團(tuán)聚的特點(diǎn)，從而給制備石墨烯薄膜帶來巨大的挑戰(zhàn)。氧化石墨烯的出現(xiàn)很好解決了制備過程中的團(tuán)聚問題，氧化石墨烯結(jié)構(gòu)大體和石墨烯相似，為準(zhǔn)二維層狀結(jié)構(gòu)，層間含有大量的羧基和羥基酸性活性基團(tuán)，有利于配制穩(wěn)定的氧化石墨烯懸浮液，為進(jìn)一步制備石墨烯薄膜提供了原料。

目前制備石墨烯的方法主要有物理方法和化學(xué)方法，其中物理方法中多采用CVD直接生長(zhǎng)石墨烯薄膜，優(yōu)點(diǎn)是容易控制膜厚且成膜質(zhì)量較好，缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)?；瘜W(xué)方法中一般采用改進(jìn)的Hummers來制備氧化石墨烯，然后進(jìn)一步還原得到石墨烯，在制備過程中石墨烯存在大量的缺陷，遷移率不高，存在一定的雜質(zhì)，并且利用化學(xué)方法不容易制備大面積單層或少層石墨烯薄膜，但其主要優(yōu)點(diǎn)在于容易實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。本發(fā)明采用化學(xué)方法的改進(jìn)的Hummers來制備氧化石墨烯，利用酯化反應(yīng)將片狀氧化石墨烯連接起來，為制備大面積單層或少層石墨烯薄膜提供了參考依據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決制備大面積的單層或少層石墨烯薄膜存在的困難，本發(fā)明提出一種基于酯化反應(yīng)制備大面積少層氧化石墨烯薄膜的方法。由于氧化石墨烯含有大量的含氧官能團(tuán)，其中包含羥基和羧基，為酯化反應(yīng)提供了條件。本發(fā)明利用酯化反應(yīng)將片狀氧化石墨烯中的羥基和羧基連接起來。利用六水三氯化鐵（FeCl₃·6H₂O）或磷鎢酸水合物（H₃O₄₀PW₁₂·xH₂O）作為催化劑，氧化石墨烯水溶液作為反應(yīng)前體，水浴98℃、反應(yīng)2小時(shí)后的反應(yīng)物進(jìn)行離心，得到下層沉淀物便是連接完成的氧化石墨烯。通過滴涂到SiO₂襯底上烘干制備大面積少層氧化石墨烯薄膜。圖1 酯化反應(yīng)前片狀氧化石墨烯薄膜的原子力顯微鏡圖片和a線處的高度圖，片層尺寸為2.5 μm × 3.0 μm，厚度為0.83 nm，為單層薄膜。圖2 酯化反應(yīng)后片狀氧化石墨烯薄膜的原子力顯微鏡圖片和b線處的高度圖，經(jīng)酯化反應(yīng)后的片層氧化石墨烯薄膜尺寸為13 μm × 11 μm，相比酯化反應(yīng)前由圖1顯示的片層尺寸有很大地增加。經(jīng)酯化反應(yīng)后的片層氧化石墨烯薄膜厚度為2~3 nm，為2-3層，為少層薄膜，相比酯化反應(yīng)前由圖1顯示的片層厚度由單層薄膜增加到少層薄膜，是因?yàn)檠趸娱g也含大量的羥基和羧基，酯化反應(yīng)同樣會(huì)使片狀氧化石墨烯層與層之間發(fā)生鏈接，會(huì)增加薄膜的厚度，但厚度可控制在少層薄膜的幾層范圍內(nèi)，仍有重要意義。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明涉及一種基于酯化反應(yīng)制備大面積少層氧化石墨烯薄膜的方法，主要基于酯化反應(yīng)將片狀氧化石墨烯連接起來，制備大面積單層或少層氧化石墨烯薄膜，其中利用改進(jìn)Hummers法制備的膠狀氧化石墨烯作為反應(yīng)前體，六水三氯化鐵（FeCl₃·6H₂O）作為催化劑，具體實(shí)施方法如下：

1. 稀釋由改進(jìn)Hummers法得到膠狀氧化石墨烯，加入適量的FeCl₃·6H₂O，置于超聲儀中30 min。

2. 將超聲后的反應(yīng)物置于水浴加熱至98℃，反應(yīng)60 min。

3. 水浴之后的反應(yīng)物加適量去離子水稀釋，之后進(jìn)行離心，取下層沉淀物。

4. 氧化石墨烯薄膜制備：向沉淀物中加入適量的無水乙醇進(jìn)行稀釋，取適量的稀釋后的反應(yīng)物滴涂在潔凈的SiO₂襯底上，置于80℃烘箱中15 min。

附圖說明：

圖1 酯化反應(yīng)前片狀氧化石墨烯薄膜的原子力顯微鏡圖片和a線處的高度圖

圖2 酯化反應(yīng)后片狀氧化石墨烯薄膜的原子力顯微鏡圖片和b線處的高度圖。