一種基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料的制備方法及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】一種基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料的制備方法，步驟如下：1）將氧化石墨烯分散在有機(jī)溶劑中，得到有機(jī)分散液；2）將分散液轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中，進(jìn)行高溫溶劑熱反應(yīng)；3）將反應(yīng)后石墨烯材料中充滿的反應(yīng)溶劑置換為水；4）將充滿水的石墨烯材料進(jìn)行冷凍干燥處理；5）在惰性氣氛或真空環(huán)境中進(jìn)行高溫焙燒，制得基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：該方法制備的光驅(qū)動(dòng)材料具有良好的光吸收性能，且在光的照射下，具有一系列特性：如光致驅(qū)動(dòng)特性，可以被光推動(dòng)、舉起或旋轉(zhuǎn)；如電子發(fā)射特性，可以產(chǎn)生能夠被檢測(cè)的電流信號(hào)；基于這些特性，這種材料可以被用于制備太空飛行器和其他光驅(qū)動(dòng)裝置、光探測(cè)裝置或光控制裝置。
【專利說(shuō)明】一種基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料的制備方法及其應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光驅(qū)動(dòng)材料的制備，特別是一種基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料的制備方法以及應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002]近現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展起來(lái)之前，輻射壓的概念已被用來(lái)解釋彗尾的形成與方向性，利用太陽(yáng)光的輻射壓即光壓為空間航行的飛行器提供推動(dòng)力的原型設(shè)想就被開(kāi)普勒提出。近現(xiàn)代物理學(xué)特別是麥克斯韋電磁場(chǎng)理論發(fā)展起來(lái)之后，輻射壓的形成及強(qiáng)度等問(wèn)題可以使用經(jīng)典物理學(xué)或者量子力學(xué)從理論角度進(jìn)行計(jì)算，另一方面，輻射壓也在二十世紀(jì)初期被物理學(xué)家利用實(shí)驗(yàn)加以證實(shí)和測(cè)量。對(duì)輻射壓的應(yīng)用研究隨即在二十世紀(jì)下半頁(yè)廣泛開(kāi)展。
[0003]激光技術(shù)的發(fā)展促成了利用光壓俘獲、操縱目標(biāo)物體的實(shí)現(xiàn)及基于此原理的光學(xué)鑷子等技術(shù)的發(fā)明。這些目標(biāo)物體可以是納米尺度的原子、分子或者離子，微米尺度的介電粒子、灰塵粒子或者聚苯乙烯等聚合物微粒，以及細(xì)胞或者亞細(xì)胞尺度上的對(duì)象例如活細(xì)胞、蛋白分子、細(xì)菌或者病毒等。但是，到目前為止，這一技術(shù)的俘獲及操縱對(duì)象仍然局限在微觀尺度，其尺寸均在納米和微米量級(jí)，另一方面，這種操縱的移動(dòng)范圍和移動(dòng)速度往往也在微米量級(jí)。此技術(shù)的相關(guān)操作均需要在顯微鏡下進(jìn)行，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)宏觀目標(biāo)的俘獲及操縱，這就使得這一技術(shù)始終被禁錮在微觀世界。
[0004]光壓的另外一項(xiàng)重要應(yīng)用一太陽(yáng)帆飛行器也于二十世紀(jì)后期被廣泛研究。由于光壓是一個(gè)非常小的力，在近地軌道上，太陽(yáng)光在一平方米全反射面積上產(chǎn)生的推動(dòng)力約為0.9達(dá)因即9 μΝ，這就使得光壓推進(jìn)成為一種小推力大比沖的推進(jìn)方式。如果要利用光壓為一定重量的有效載荷提供推進(jìn)力，并且這種推進(jìn)力要足夠使其在可接受的時(shí)間內(nèi)加速到空間飛行所需要的宇宙速度，那么唯一的途徑就是提高“太陽(yáng)帆”這一結(jié)構(gòu)的有效反射面積。這就對(duì)太陽(yáng)帆的材料選擇，制造工藝，展開(kāi)技術(shù)及使用壽命等帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。所以到目前為止，太陽(yáng)帆飛行器中只有IKAROS太陽(yáng)帆飛船一例技術(shù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)取得成功。
[0005]在太空這一真空環(huán)境中，太陽(yáng)光是唯一穩(wěn)定、連續(xù)且無(wú)限供給的能量來(lái)源。如果發(fā)展新型的材料或技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)在宏觀尺度上非常有效的光驅(qū)動(dòng)，并且這種作用提供的推動(dòng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光壓能夠提供的推動(dòng)力，那么其將對(duì)利用太陽(yáng)光實(shí)現(xiàn)有效的空間飛行具有重大意義。此外，這種對(duì)宏觀物體在宏觀尺度上的控制和驅(qū)動(dòng)，同樣可以應(yīng)用于制造其它環(huán)境下使用的光驅(qū)動(dòng)裝置，例如宏觀尺度上的“光鑷”技術(shù)。除此之外，利用材料對(duì)光的響應(yīng)特性，同樣可以發(fā)展光探測(cè)裝置或光控制裝置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對(duì)上述技術(shù)分析，提供一種基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料的制備方法及其應(yīng)用，該方法制備的光驅(qū)動(dòng)材料具有良好的光吸收性能，且在光的照射下，具有一系列特性:如光致驅(qū)動(dòng)特性，可以被光推動(dòng)、舉起或旋轉(zhuǎn)；如電子發(fā)射特性，可以產(chǎn)生能夠被檢測(cè)的電流信號(hào)；基于這些特性，這種材料可以被用于制備太空飛行器和其他光驅(qū)動(dòng)裝置、光探測(cè)裝置或光控制裝置。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案:
一種基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料的制備方法，步驟如下:
1)將氧化石墨烯分散在有機(jī)溶劑中，經(jīng)攪拌、超聲處理，使得氧化石墨烯充分、良好地分散，得到有機(jī)分散液；
2)將上述分散液轉(zhuǎn)移到高壓溶劑熱反應(yīng)釜中，然后將釜密封，放入預(yù)加熱的烘箱中，在溫度為180°C下進(jìn)行高溫溶劑熱反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為12-18小時(shí)，待反應(yīng)釜冷卻至室溫后，取出充滿反應(yīng)溶劑的石墨烯材料，置于容器中；
3)將上述石墨烯材料中充滿的反應(yīng)溶劑置換為水；
4)將上述充滿水的石墨烯材料在溫度為_(kāi)60°C至_40°C下進(jìn)行冷凍干燥處理；
5)將上述冷凍干燥處理后的石墨烯材料在惰性氣氛或真空度不高于1Pa環(huán)境中于800-1200°C下進(jìn)行高溫焙燒I小時(shí)，制得基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料。
[0008]所述氧化石墨烯為由石墨烯中碳原子按照六角晶格排列組成的片狀分子結(jié)構(gòu)骨架上，含有各種含氧官能團(tuán)從而形成的二維平面材料，其中含氧官能團(tuán)為羧基、羰基、羥基或環(huán)氧鍵，氧化石墨烯的單片面積為lm2-3000 ym2，單片厚度為0.6-2.0 nm，含氧量為10 - 50wt%o
[0009]所述有機(jī)溶劑為甲醇、乙醇、乙二醇、異丙醇和丙酮中的一種或兩種以上任意比例的混合物。
[0010]所述有機(jī)分散液中氧化石墨烯的濃度為0.2-5mg/mL,通過(guò)改變?nèi)芤菏褂昧亢头磻?yīng)釜的尺寸，使最終的基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料的密度為0.3-14mg/cm3，單塊材料的體積為2_200cm3。
[0011]本發(fā)明中制備的基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料具有以下一系列特征:
1)材料具有多孔海綿狀結(jié)構(gòu)，孔隙率很高，密度很小；
2)材料具有高的導(dǎo)電性；
3)材料具有良好的吸光性能，在400-800nm波段的反射率低于5%；
4)材料具有光致驅(qū)動(dòng)特性，在可見(jiàn)光的照射下可以被驅(qū)動(dòng)，光源為激光、短弧氙燈或長(zhǎng)弧氙燈產(chǎn)生的模擬日光、使用各種光學(xué)透鏡聚焦的太陽(yáng)光；驅(qū)動(dòng)的形式為這種基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料的樣品在光源的照射下被推動(dòng)、被舉起或者旋轉(zhuǎn)；
5)在光的照射下，材料具有電子發(fā)射特性，利用特定裝置檢測(cè)到電流信號(hào)。
[0012]一種所制備的基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料的應(yīng)用，用于制備光驅(qū)動(dòng)器件或裝置、光探測(cè)器檢測(cè)裝置或光控制裝置；
所述光致驅(qū)動(dòng)的操作應(yīng)當(dāng)將材料放置于真空環(huán)境，真空度不高于10Pa，光源放置于真空環(huán)境當(dāng)中，或在裝置上增加透光窗口結(jié)構(gòu)、在真空裝置的局部使用石英透光材料，從而將光線引入得以照射材料；
所述光探測(cè)器檢測(cè)裝置通過(guò)測(cè)量電流信號(hào)的有無(wú)以及強(qiáng)度來(lái)判斷光源的開(kāi)閉以及光的強(qiáng)度；
所述光驅(qū)動(dòng)器件或裝置在光的作用下，提供足夠的推動(dòng)力，在空間環(huán)境中實(shí)現(xiàn)有效載荷的運(yùn)輸，即被用作空間飛行器的推進(jìn)裝置； 所述光驅(qū)動(dòng)器件或裝置通過(guò)光致驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致的材料位置變化實(shí)現(xiàn)光控制，或通過(guò)光-電流信號(hào)-模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)光控制。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:該方法制備的光驅(qū)動(dòng)材料具有良好的光吸收性能，且在光的照射下，具有一系列特性:如光致驅(qū)動(dòng)特性，可以被光推動(dòng)、舉起或旋轉(zhuǎn)；如電子發(fā)射特性，可以產(chǎn)生能夠被檢測(cè)的電流信號(hào)；基于這些特性，這種材料可以被用于制備太空飛行器和其他光驅(qū)動(dòng)裝置、光探測(cè)裝置或光控制裝置。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料的掃描電鏡圖。
[0015]圖2為基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料在激光作用下的光致驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象照片。
[0016]圖3為基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料在短弧氙燈模擬日光光源作用下的光致驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象照片。
[0017]圖4為基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料制作一種光驅(qū)動(dòng)及控制裝置的模型設(shè)計(jì)。
[0018]圖5為基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料作為推進(jìn)裝置的太空飛行器的模型設(shè)計(jì)。
[0019]圖6為基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料制作一種光探測(cè)裝置的設(shè)計(jì)。
[0020]圖7為基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料制作的光探測(cè)裝置在激光照射下的響應(yīng)曲線。
[0021]圖8為基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料制作的一種光控制裝置的模型設(shè)計(jì)之一。
[0022]圖9為基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料制作的一種光控制裝置的模型設(shè)計(jì)之二。

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體描述，本實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容做出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整，均屬本發(fā)明保護(hù)范圍。
[0024]實(shí)施例:
一種基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料的制備方法，步驟如下:
1)將氧化石墨烯分散在有機(jī)溶劑中，濃度為0.37mg/mL，經(jīng)攪拌、超聲處理，使得氧化石墨烯充分、良好地分散，得到有機(jī)分散液；所述氧化石墨烯為由石墨烯中碳原子按照六角晶格排列組成的片狀分子結(jié)構(gòu)骨架上，含有各種含氧官能團(tuán)從而形成的二維平面材料，其中含氧官能團(tuán)為羧基、羰基、羥基以及環(huán)氧鍵，氧化石墨烯的單片面積約為2000 μ m2，單片厚度為1.1nm,含氧量為45wt% ；
2)將80mL上述分散液轉(zhuǎn)移到容積為10mU具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓溶劑熱反應(yīng)釜中，然后將釜密封，放入預(yù)加熱的烘箱中，在溫度為180°C下進(jìn)行高溫溶劑熱反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為12小時(shí)，待反應(yīng)釜冷卻至室溫后，取出充滿反應(yīng)溶劑的石墨烯材料，置于容器中；
3)將上述石墨烯材料中充滿的反應(yīng)溶劑乙醇置換為水；
4)將上述充滿水的石墨烯材料在溫度為_(kāi)50°C下進(jìn)行冷凍干燥處理；
5)將上述冷凍干燥處理后的石墨烯材料在惰性氣氛中于800°C下進(jìn)行高溫焙燒I小時(shí)，制得基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料，其密度為1.lmg/cm3。
[0025]材料的多孔海綿狀結(jié)構(gòu)如圖1所示。在不同光源-激光、短弧氙燈產(chǎn)生的模擬日光照射下，該基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料具有快速有效的光致驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象，材料可以被光“托舉”起來(lái)，如圖2、圖3所示。
[0026]基于這種光驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象，該基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料可以被用來(lái)制作光驅(qū)動(dòng)裝置，這種裝置的一種設(shè)計(jì)原型如圖4所示?；谶@種材料在有效的光的照射下，可以產(chǎn)生足夠大的推動(dòng)力，故其可以被利用來(lái)制造推進(jìn)裝置在空間環(huán)境中為太空飛行器提供推動(dòng)力，如圖5所示的太空飛行器的一種模型設(shè)計(jì)中涉及的那樣。利用如圖6所示的裝置，可以直接檢測(cè)到本發(fā)明中這種基于石墨烯的材料在光的照射下發(fā)射電子所產(chǎn)生的電流信號(hào)，一組典型的測(cè)試曲線如圖7所示，故其可以被用來(lái)探測(cè)光。利用這種基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料的性質(zhì)，可以通過(guò)光致驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致的材料位置變化或者光-電流信號(hào)-模數(shù)轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)光控制，如同圖8、圖9所示。
【權(quán)利要求】
1.一種基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料的制備方法，其特征在于步驟如下: 1)將氧化石墨烯分散在有機(jī)溶劑中，經(jīng)攪拌、超聲處理，使得氧化石墨烯充分、良好地分散，得到有機(jī)分散液； 2)將上述分散液轉(zhuǎn)移到高壓溶劑熱反應(yīng)釜中，然后將釜密封，放入預(yù)加熱的烘箱中，在溫度為180°C下進(jìn)行高溫溶劑熱反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為12-18小時(shí)，待反應(yīng)釜冷卻至室溫后，取出充滿反應(yīng)溶劑的石墨烯材料，置于容器中； 3)將上述石墨烯材料中充滿的反應(yīng)溶劑置換為水； 4)將上述充滿水的石墨烯材料在溫度為_(kāi)60°C至_40°C下進(jìn)行冷凍干燥處理； 5)將上述冷凍干燥處理后的石墨烯材料在惰性氣氛或真空度不高于1Pa環(huán)境中于800-1200°C下進(jìn)行高溫焙燒I小時(shí)，制得基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料的制備方法，其特征在于:所述氧化石墨烯為由石墨烯中碳原子按照六角晶格排列組成的片狀分子結(jié)構(gòu)骨架上，含有各種含氧官能團(tuán)從而形成的二維平面材料，其中含氧官能團(tuán)為羧基、羰基、羥基或環(huán)氧鍵，氧化石墨烯的單片面積為lm2-3000 ym2，單片厚度為0.6-2.0 nm，含氧量為10 - 50wt%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料的制備方法，其特征在于:所述有機(jī)溶劑為甲醇、乙醇、乙二醇、異丙醇和丙酮中的一種或兩種以上任意比例的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料的制備方法，其特征在于:所述有機(jī)分散液中氧化石墨烯的濃度為0.2-5mg/mL，通過(guò)改變?nèi)芤菏褂昧亢头磻?yīng)釜的尺寸，使最終的基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料的密度為0.3-14mg/cm3，單塊材料的體積為2-200cm3。
5.一種權(quán)利要求1所制備的基于石墨烯的光驅(qū)動(dòng)材料的應(yīng)用，其特征在于:用于制備光驅(qū)動(dòng)器件或裝置、光探測(cè)器檢測(cè)裝置或光控制裝置； 所述光致驅(qū)動(dòng)的操作應(yīng)當(dāng)將材料放置于真空環(huán)境，真空度不高于10Pa，光源放置于真空環(huán)境當(dāng)中，或在裝置上增加透光窗口結(jié)構(gòu)、在真空裝置的局部使用石英透光材料，從而將光線引入得以照射材料； 所述光探測(cè)器檢測(cè)裝置通過(guò)測(cè)量電流信號(hào)的有無(wú)以及強(qiáng)度來(lái)判斷光源的開(kāi)閉以及光的強(qiáng)度； 所述光驅(qū)動(dòng)器件或裝置在光的作用下，提供足夠的推動(dòng)力，在空間環(huán)境中實(shí)現(xiàn)有效載荷的運(yùn)輸，即被用作空間飛行器的推進(jìn)裝置； 所述光驅(qū)動(dòng)器件或裝置通過(guò)光致驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致的材料位置變化實(shí)現(xiàn)光控制，或通過(guò)光-電流信號(hào)-模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)光控制。
【文檔編號(hào)】C01B31/04GK104310386SQ201410539294
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月14日
【發(fā)明者】陳永勝, 張騰飛, 常慧聰, 易寧波 申請(qǐng)人:南開(kāi)大學(xué)