水性導(dǎo)電高分子-石墨烯分散液及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于功能納米材料領(lǐng)域，特別涉及一種水性導(dǎo)電高分子-石墨烯分散液及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是一種由單層碳原子緊密堆積而成的二維蜂窩狀碳材料，自2004年，英國科學(xué)家Geim等人成功制備了室溫下穩(wěn)定存在的石墨烯以來，石墨烯引起了廣泛的關(guān)注(Novoselov K., Geim A., et al.Science, 2004，306，666-669)。與傳統(tǒng)碳材料相比，石墨稀具有更加優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)和光學(xué)性能，這使在電子、能源轉(zhuǎn)換和儲存、生物技術(shù)、生化傳感器等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。在實(shí)際應(yīng)用中，石墨烯需要分散在水或者有機(jī)溶劑中，但是由于石墨烯層之間存在較大的范德華力，因而易于團(tuán)聚而難以分散，大大制約了石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
[0003]目如石墨稀最常用的的制備方法有:
[0004]化學(xué)氣相沉積法(CVD)，CVD法是碳前驅(qū)體在高溫、氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的石墨烯在加熱的固態(tài)基體表面。但是該種方法會在反應(yīng)過程中生產(chǎn)一些碳化物或無定形碳，影響了石墨烯的質(zhì)量。
[0005]氧化還原法是將天然石墨通過熱處理或其它氧化技術(shù)進(jìn)行氧化，得到基本分子結(jié)構(gòu)為碳六邊形且表面及邊緣存在大量的羥基、羧基、環(huán)氧等基團(tuán)的氧化石墨烯。再通過化學(xué)還原的方法去除其分子結(jié)構(gòu)上的含氧基團(tuán)，最后得到石墨烯薄層材料的方法。但在還原氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)中，其表面上的一些碳原子排列比較錯(cuò)亂，且整個(gè)分子結(jié)構(gòu)因氧化反應(yīng)而產(chǎn)生空洞和拓?fù)淙毕?，此外還有殘留的含氧官能團(tuán)，從而影響石墨烯材料的電學(xué)性能。
[0006]微機(jī)械剝離法(micromechanical exfoliat1n)是一種利用物體與石墨稀之間的摩擦和相對運(yùn)動(dòng)，得到石墨烯薄層材料的方法。但該方法很難得到較大面積的石墨烯材料。
[0007]液相剝離法通過直接把石墨或石墨衍生物如膨脹石墨等分散到有機(jī)溶劑中，再利用高密度超聲波、加熱或氣流作用得到一定濃度的單分子層或多層石墨烯溶液。該方法雖然操作簡單，制備過程保全了石墨烯的原子結(jié)構(gòu)，保障了石墨烯優(yōu)異的電性能，成為最具應(yīng)用前景的制備方法。美國Stanford大學(xué)的戴宏杰等人，用液相剝離方法制備石墨稀分散液(Li X，Zhang G，Bai X，et al.Highly conducting graphenesheets andLangmuir-Blodgett films.Nature Nanotechnology，2008，3 (9):538-542)，他們米用四丁基溴化季銨鹽作為插層劑，在液相中剝離，得到高導(dǎo)電性的石墨烯分散液。Coleman等人(Hernandez Y，Nicolosi V，Lotya M，etal.High-yield product1n of graphene byliquid-phase exfoliat1n of graphite.Nature Nanotechnology，2008，3(9):563-568.)報(bào)道了直接在多種溶劑，例如，N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N，N- 二乙基甲酰胺(DMF)、γ - 丁內(nèi)酯(GBL)、1，3-二甲基-2-咪唑烷酮(DMEU)中直接剝離石墨，得到石墨烯分散液，但在NMP溶劑中石墨稀的濃度僅為6 μ g/mL。英國杜倫大學(xué)的Coleman等人又(Lotya M, HernandezY，King P J，et al.Liquid phase product1n of grapheneby exfolia1n of graphitein surf actant/water solut1ns.J.A.Chem.Siety, 2009,131 (10):3611-3620)通過在水中加入表面活性劑十二烷基磺酸鈉(DDS)，在水相中通過液相剝離的方法制備出0.lmg/mL石墨烯分散液?，F(xiàn)有液相剝離法獲得的石墨烯分散液的濃度較低。
[0008]綜合上述方法存在著制備工藝復(fù)雜、或濃度較低等缺點(diǎn)，制約了石墨烯的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的第一目的是提供一種導(dǎo)電高分子-石墨烯分散液，該分散液為水性導(dǎo)電高分子為穩(wěn)定劑和分散劑，所述的分散液中石墨烯多為單層和寡層(2?8層)結(jié)構(gòu)。所述分散液中的石墨稀含量可達(dá)I?10mg/mL，石墨稀的粒徑為200納米?2微米。本發(fā)明制得的水性導(dǎo)電高分子-石墨烯分散液分散性好、穩(wěn)定性高，所得石墨烯結(jié)構(gòu)完整。
[0010]本發(fā)明的第二目的提供利用水性導(dǎo)電高分子與石墨烯之間強(qiáng)烈的31-31作用，以石墨為原料，利用超聲剝離技術(shù)可大規(guī)模、低成本制備水性導(dǎo)電高分子-石墨烯分散液的方法。
[0011]本發(fā)明的第三目的在于提供上述水性導(dǎo)電高分子-石墨烯分散液的用途，即制備透明電極或者透明柔性電極。
[0012]本發(fā)明提出了一種制備水性導(dǎo)電高分子-石墨烯分散液的方法，具體包括如下步驟:
[0013]步驟一:將水性導(dǎo)電高分子材料分散在去離子水中，得到導(dǎo)電高分子水溶液；其中，導(dǎo)電高分子的含量為I?5wt% ；
[0014]所述的水性導(dǎo)電高分子包括:水性導(dǎo)電聚苯胺及其衍生物或者水性聚噻吩和其衍生物。
[0015]步驟二:將2g的石墨加入到50?10mL的導(dǎo)電高分子的水溶液中，在超聲頻率為20?SOKHz的超聲發(fā)生器中超聲分散12?48小時(shí)，得到水性導(dǎo)電高分子-石墨烯混合液；
[0016]步驟三:將步驟二制得的水性導(dǎo)電高分子-石墨烯混合液置于離心機(jī)中，在轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分鐘?4500轉(zhuǎn)/分鐘，離心處理30?90分鐘后，得到水性導(dǎo)電高分子_石墨烯分散液。
[0017]本發(fā)明的特點(diǎn)在于:
[0018]①提供的水性導(dǎo)電高分子-石墨烯分散液，該分散液的穩(wěn)定性好、石墨烯含量高，石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)完整，具有好的導(dǎo)電性。
[0019]②本發(fā)明巧妙的利用的導(dǎo)電高分子與石墨烯之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的π-π作用，在超聲作用下，使石墨有效剝離得到石墨烯分散液。該方法操作簡單、成本低、重復(fù)性好，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。
[0020]③該分散液可涂覆在任何基底上制備透明電極或者透明柔性電極，具有極大的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0021]圖1為石墨烯原料的掃描電鏡照片。
[0022]圖2為實(shí)施例1中的分散液的光學(xué)照片。
[0023]圖3為實(shí)施例1中制備的分散液的透射電鏡圖。
[0024]圖4為實(shí)施例1中制備的分散液涂覆在玻璃上的透射光譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0026]本發(fā)明涉及的一種水性導(dǎo)電高分子-石墨烯分散液，是以水性導(dǎo)電高分子作為穩(wěn)定劑和分散劑的。
[0027]水性導(dǎo)電高分子-石墨烯分散液中石墨烯多為單層和寡層結(jié)構(gòu)；一般地，寡層為2?8層。
[0028]水性導(dǎo)電高分子-石墨烯分散液中的石墨烯含量為I?10mg/mL。
[0029]水性導(dǎo)電高分子-石墨烯分散液中的石墨烯的粒徑為200納米?2微米。
[0030]在本發(fā)明中，選用的水性導(dǎo)電高分子包括有:水性導(dǎo)電聚苯胺及其衍生物或者水性聚噻吩和其衍生物。
[0031]所述的水性導(dǎo)電聚苯胺及其衍生物包括有:
[0032]聚苯乙烯磺酸摻雜聚苯胺、
[0033]聚苯乙烯磺酸摻雜聚甲基苯胺、
[0034]聚苯乙烯磺酸摻雜聚乙基苯胺、
[0035]聚乙烯基磺酸摻雜聚苯胺、
[0036]聚乙烯基磺酸摻雜聚甲基苯胺、
[0037]聚乙烯基磺酸摻雜聚乙基苯胺、
[0038]聚丙烯酸摻雜聚苯胺、
[0039]聚丙烯酸摻雜聚甲基苯胺、
[0040]聚丙烯酸摻雜聚乙基苯胺、
[0041]十二烷基磺酸摻雜聚苯胺、
[0042]十二烷基磺酸摻雜聚甲基苯胺、
[0043]十二烷基磺酸摻雜聚乙基苯胺、
[0044]苯胺/鄰氨基苯磺酸共聚物、
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