一种石墨烯/铜纳米线复合薄膜的制备方法及薄膜技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯/铜纳米线复合薄膜的制备方法及薄膜，本发明专利技术要解决石墨烯和铜纳米线复合薄膜的成型问题。方法：配制铜纳米线分散液；配制石墨烯分散液；铜纳米线分散液与石墨烯分散液混合；静电喷雾沉积法制备复合薄膜；热压烧结得到石墨烯/铜纳米线复合薄膜；本发明专利技术能够制备大尺寸、石墨烯分散均匀的样品，且制备过程中复合薄膜易从基底上脱离，可广泛地应用于工业生产中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及复合材料领域，具体涉及一种制备石墨烯复合薄膜的方法及薄膜。
技术介绍
石墨烯被定义为仅由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状点阵结构，每个碳原子和相邻的三个碳原子形成共价键。虽然石墨烯仅由一层碳原子构成，但其形貌可以被多种仪器所观测，以此来表征石墨烯的层数、厚度及其晶化程度等重要信息。石墨烯中每个碳原子都有一个s轨道和三个p轨道，其中s轨道和两个p轨道与周围相邻的三个碳原子形成化学键，对石墨烯的电导率没有贡献，而剩余的一个p轨道相互杂化，形成价带和导带，影响着石墨烯的电学性能。石墨烯具有独特的二维晶体结构决定了其具有优异的电学、力学和热学性能。自由电子在石墨烯上的传输不易发生散射，电子迁移率可以达到2×105cm/V·s，是硅中电子迁移率的一百多倍；其电导率高达106S/m，是室温下绝佳的导电材料。石墨烯弹性模量高达1TPa，断裂强度为125GPa，室温热导率为5.3×103W/m·K，比表面积为2630m2/g。石墨烯也具有优异的光学性能，单层石墨烯的可见光吸收率仅为2.3％，由此可根据薄层石墨烯的可见光透过率来估算出石墨烯的层数。另外，紫外光对石墨烯有刻蚀作用，随着紫外光照射时间的增加，石墨烯薄膜的结构不断被破坏，其可见光透过率和薄膜面电阻都在上升。这种二维的石墨烯薄膜除了具有高导电性和透过率之外，还展现出优异的化学稳定性和热稳定性，可作为太阳能透明电极的替代物。因此石墨烯在复合材料、催化材料、储能材料、高功能纳电子器件、气体传感器等领域具有相当大的应用价值，也吸引众多学者展开对石墨烯深入系统地研究。目前石墨烯薄膜的制备方法主要是有两种，一种是先制备纳米尺度的氧化石墨烯，然后制备氧化石墨烯薄膜，最后还原得到石墨烯薄膜；另一种是直接制备石墨烯薄膜。间接法主要有真空抽滤法、旋涂法、自组装法、电泳法、电化学法、喷涂法；石墨烯的直接制备有胶带剥离法、碳化硅或金属表面外延生长法和化学气相沉积法(CVD)。比较上述两大类制备石墨烯薄膜的方法可以发现它们的特点，对于第一类石墨烯薄膜制备方法，在石墨烯薄膜大小和厚度的可控性方面，真空抽滤法制备时薄膜大小受抽滤纸大小控制，旋涂法制备通过分散液浓度，转速来控制石墨烯膜的厚度以及面积可以选择，缺点是原料容易浪费。自组装方法简单易行，薄膜面积大小可以任意调控，薄膜呈现较好的均匀性和可控性，不过由于采用氧化石墨烯作为中间体，后续的还原处理对石墨烯薄膜的导电性影响很大。采用电泳沉积法制备石墨烯薄膜时，面积大小受电极控制，控制电泳沉积电压和沉积时间，可以制备不同厚度的石墨烯薄膜，操作简便、易于控制、成本较低、适于规模化制备，但是存在将得到的薄膜转移到其它基底上的不便。在第一类石墨烯薄膜的制备过程中，石墨要经过氧化和还原两个过程，得到的石墨烯的性能不够稳定，这对后续研究有一定的影响。第二类化学气相沉积法能得到大面积高质量的单层石墨烯，但设备要求高，得到的薄膜也往往需要转移到其它基底上，转移过程困难。综上所述，现有石墨烯复合薄膜的制备方法中缺少操作简单，成本低，容易从基底上转移，又可以制备大面积复合薄膜的方法。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供一种石墨烯/铜纳米线复合薄膜的制备方法，具体是按照以下步骤进行的：1)配制铜纳米线分散液：将铜纳米线分散在N-甲基吡咯烷酮中；2)配制石墨烯分散液：将石墨烯粉末分散在N-甲基吡咯烷酮中；3)铜纳米线分散液与石墨烯分散液混合；4)静电喷雾沉积法制备复合薄膜：将步骤3)得到的混合分散液通过静电喷雾沉积法沉积在金属基底上，在金属基底上形成墨烯/铜纳米线复合薄膜，将金属基底与复合薄膜分离；5)热压烧结：将步骤4)分离得到的复合薄膜干燥后热压烧结，即得到石墨烯/铜纳米线复合薄膜；先进行上述步骤1)后进行上述步骤2)，或先进行上述步骤2)后进行上述步骤1)。优选的，上述金属基底为铝箔，将金属基底与复合薄膜分离的方法为喷射完成后，将金属基底与复合薄膜放在去离子水中，则复合薄膜自行从金属基底上脱落。上述步骤具体为：1)配制铜纳米线分散液：首先制备铜纳米线：配制NaOH水溶液；配制Cu(NO3)2·3H2O水溶液，磁力搅拌；将Cu(NO3)2溶液缓慢加入到NaOH溶液中；水合肼和乙二胺加入到上述溶液中，磁力搅拌5-10min；在60℃,水浴加热4h；用去离子水或乙醇离心洗涤，4-6次；冷冻干燥后分散在水溶液中，即得到铜纳米线；然后将铜纳米线分散在N-甲基吡咯烷酮中：将制备出的铜纳米线做分散在N-甲基吡咯烷酮中，在频率为10KHz～100KHz下，进行超声处理30min～60min，得到铜纳米线分散液；2)配制石墨烯分散液：将石墨烯粉末在真空下450℃烧结2h，去掉分散剂，然后加入N-甲基吡咯烷酮中并搅拌均匀，并在频率为10KHz～100KHz下，进行超声处理30min～60min，得到石墨烯分散液；3)铜纳米线分散液与石墨烯分散液混合：将铜纳米线分散液和石墨烯分散液混合；在频率为10KHz～100KHz下，水浴超声5-10min，然后在200W的功率下超声30min，得到石墨烯/铜纳米线混合分散液；4)静电喷雾沉积法制备复合薄膜：将混合分散液注入注射器中，用注射泵注射；将金属基底固定在热台上，在注射器的针头加上高压电，金属基底接地，即在金属基底和针头之间形成静电场；将混合分散液在高压下注射形成喷雾，逐渐沉积在金属基底上；喷射完成后，将金属基底放在去离子水中，则复合薄膜自行脱落，即得到石墨烯/铜纳米线复合薄膜且复合薄膜，通过控制针头的数目和金属基底的面积控制复合薄膜的尺寸；5)热压烧结：将上述制备的复合薄膜干燥后热压烧结，即得到石墨烯/铜纳米线复合薄膜；先进行上述步骤1)后进行上述步骤2)，或先进行上述步骤2)后进行上述步骤1)。优选的，上述步骤2)中所述的石墨烯粉末是通过液相剥离法制备的，所述的石墨烯分散液中石墨烯的浓度为0.1mg/mL～2mg/mL，更优选0.2mg/mL～2mg/mL。优选的，上述步骤1)中所述的铜纳米线分散液中，铜纳米线的浓度为0.2mg/mL。优选的，上述步骤:3)中所述的混合分散液中石墨烯与铜纳米线的质量比为1:0.1～1:1，更优选1:0.2～1:1。优选的，上述步骤4)中所述的注射泵注射速度为40～100μL/min，更优选50～100μL/min，电压为11.5Kv，热台温度为130℃～150℃,注射器的针头数量为2～4个，针头和铝箔之间的垂直距离为2cm～5cm，更优选2cm～3.5cm。优选的，上述步骤1)中所述的水合肼质量分数为80％，所述的NaOH与去离子水的体积比为600g:1L，Cu(NO3)2·3H2O与去离子水的体积比为12.1g:1L，所述的水合肼和乙二胺的体积比为0.0688:1L，所述的3水合硝酸铜与乙二胺的体积比为0.1613g:1mL。优选的，上述步骤5)中所述的干燥条件是在110℃-120℃下保温40min-60min，热压烧结条件为压力为400MPa～500MPa，温度为1050℃，真空气氛保压10min～30min。步骤1)中所述的乙二胺做保护剂使用；混合溶液是天蓝色，放入60℃水浴中颜色逐渐变为砖红色，反应4h后红色絮状的铜纳米线漂浮在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯/铜纳米线复合薄膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)配制铜纳米线分散液：将铜纳米线分散在N‑甲基吡咯烷酮中；2)配制石墨烯分散液：将石墨烯粉末分散在N‑甲基吡咯烷酮中；3)铜纳米线分散液与石墨烯分散液混合；4)静电喷雾沉积法制备复合薄膜：将步骤3)得到的混合分散液通过静电喷雾沉积法沉积在金属基底上，在金属基底上形成墨烯/铜纳米线复合薄膜，将金属基底与复合薄膜分离；5)热压烧结：将步骤4)分离得到的复合薄膜干燥后热压烧结，即得到石墨烯/铜纳米线复合薄膜；先进行上述步骤1)后进行上述步骤2)，或先进行上述步骤2)后进行上述步骤1)。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/铜纳米线复合薄膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)配制铜纳米线分散液：将铜纳米线分散在N-甲基吡咯烷酮中；2)配制石墨烯分散液：将石墨烯粉末分散在N-甲基吡咯烷酮中；3)铜纳米线分散液与石墨烯分散液混合；4)静电喷雾沉积法制备复合薄膜：将步骤3)得到的混合分散液通过静电喷雾沉积法沉积在金属基底上，在金属基底上形成墨烯/铜纳米线复合薄膜，将金属基底与复合薄膜分离；5)热压烧结：将步骤4)分离得到的复合薄膜干燥后热压烧结，即得到石墨烯/铜纳米线复合薄膜；先进行上述步骤1)后进行上述步骤2)，或先进行上述步骤2)后进行上述步骤1)。2.根据权利要求1所述的石墨烯/铜纳米线复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述金属基底为铝箔，将金属基底与复合薄膜分离的方法为喷射完成后，将金属基底与复合薄膜放在去离子水中，则复合薄膜自行从金属基底上脱落。3.根据权利要求1或2所述的石墨烯/铜纳米线复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤具体为：1)配制铜纳米线分散液：首先制备铜纳米线：配制NaOH水溶液；配制Cu(NO3)2·3H2O水溶液，磁力搅拌；将Cu(NO3)2溶液缓慢加入到NaOH溶液中；水合肼和乙二胺加入到上述溶液中，磁力搅拌5-10min；在60℃,水浴加热4h；用去离子水离心洗涤，重复该过程4-6次；冷冻干燥后分散在水溶液中，即得到铜纳米线；然后将铜纳米线分散在N-甲基吡咯烷酮中：将制备出的铜纳米线分散在N-甲基吡咯烷酮中，在频率为10KHz～100KHz下，进行超声处理30min～60min，得到铜纳米线分散液；2)配制石墨烯分散液：将石墨烯粉末在真空下450℃烧结2h，去掉分散剂，然后加入N-甲基吡咯烷酮中并搅拌均匀，并在频率为10KHz～100KHz下，进行超声处理30min～60min，得到石墨烯分散液；3)铜纳米线分散液与石墨烯分散液混合：将铜纳米线分散液和石墨烯分散液混合；在频率为10KHz～100KHz下，水浴超声5-10min，然后在200W的功率下超声30min，得到石墨烯/铜纳米线混合分散液；4)静电喷雾沉积法制备复合薄膜：将混合分散液注入注射器中，用注射泵注射；将金属基底固定在热台上，在注射器的针头加上高压电，金属基底接地，即在金属基底和针头之间形成静电场；将混...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙贤贤，李宜彬，赫晓东，彭庆宇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23