專利名稱：一種石墨烯-類金剛石碳復合薄膜的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種石墨烯-類金剛石碳復合薄膜的制備方法。
背景技術：
作為非晶碳膜，類金剛石碳膜(簡稱DLC膜)的機械、光學、電學、化學和摩擦學特 性類似于金剛石。類金剛石碳膜具有高硬度、抗磨損、化學惰性、低介電常數(shù)、寬光學帶隙以 及良好的生物相容性等特性，可以廣泛應用于機械、電子、化學、軍事和航空航天等領域。但 由于它的低電導性限制其作為電極材料的應用。最近，石墨烯(GS)被廣泛認為是一種良好 的具有獨特電學性質的物質，在作為良導體薄膜方面引起了極大的關注，然而液相電沉積 制備的石墨烯薄膜易剝落也限制了它的發(fā)展。集合了類金剛石碳和石墨烯優(yōu)秀性能為一身 的復合膜，由于具有獨特的功能和重要的應用價值，引起了人們的極大興趣。目前合成碳復合膜主要有化學氣相沉積，物理氣相沉積，聚合物熱解法等，但普遍 存在能耗高，設備昂貴，實驗條件苛刻和產(chǎn)率低等問題，使其應用受到極大限制。孫卓等在 《固體薄膜》上發(fā)表的利用聚合物先驅體熱解技術制備出了碳納米薄膜，為從事類金剛石碳 薄膜制備研究的科研人員提供了一條嶄新的道路。這種制備技術與傳統(tǒng)的氣相沉積技術相 比具有易于進行元素的摻雜，設備簡單。然而，目前國內外針對利用液相電沉積法制備石墨 烯-類金剛石碳復合薄膜的研究還是空白。液相電化學沉積制備的復合膜具有可以批量生 產(chǎn)，費用低，過程簡單，產(chǎn)物純度高和反應溫度低等優(yōu)點，是一種值得進一步深入研究的方 法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種成本低廉而且容易操作的石墨烯_類金剛石碳復合 薄膜制備方法。本發(fā)明石墨烯-類金剛石碳復合薄膜的制備是通過甲醇和聚二烯丙基-二甲基氯 化銨修飾過的石墨烯為電解質前驅體，在氮氣的保護下，回流冷凝，導電性較好的單晶硅片 作陰極，鉬片作為陽極通過直流高電壓，電沉積石墨烯-類金剛石碳復合薄膜。結果可以通 過對該碳復合薄膜的微觀結構和成分測試得以證實。一種石墨烯_類金剛石碳復合薄膜的制備方法，其特征在于該方法按照下列順序 步驟進行a將石墨烯和聚二烯丙基_ 二甲基氯化銨混合，在超聲粉碎機中超聲粉碎石墨烯， 以促進石墨烯與聚二烯丙基_二甲基氯化銨的結合；b將混合后的聚二烯丙基_ 二甲基氯化銨_石墨烯混合液用蒸餾水超聲分散離心 分離，然后再用甲醇溶液洗滌聚二烯丙基_ 二甲基氯化銨_石墨烯；將修飾后的聚二烯丙 基_ 二甲基氯化銨_石墨烯的甲醇分散液在真空干燥獲得聚二烯丙基_ 二甲基氯化銨_石 墨烯粉末；c將聚二烯丙基_ 二甲基氯化銨_石墨烯粉末分散在甲醇溶液中作為電解質，用具
3有導電性的單晶硅作陰極，鉬片作陽極浸泡在電解液中，氮氣保護，回流冷凝，恒壓下進行 電沉積，制成石墨烯_類金剛石碳復合薄膜。本發(fā)明中，聚二烯丙基-二甲基氯化銨與石墨烯的質量比為0. 25 0. 5。本發(fā)明中，將聚二烯丙基-二甲基氯化銨-石墨烯分散液置于離心機中分別在轉 速為300 500rpm和14000 16000rpm下處理，重復3 6次。本發(fā)明中，用聚二烯丙基-二甲基氯化銨-石墨烯的甲醇分散液作為電解液，單晶 硅片作為陰極，鉬片作為陽極，在氮氣的保護下，回流冷凝，控制溫度在40 50°C，直流高 電壓1200 1600V，電沉積8 10h，從而制備出石墨烯-類金剛石碳復合薄膜。用該方法制備復合薄膜具有與其它方法制備出的相同的性質和功能，在設備和技 術上都具有可以進行批量生產(chǎn)的特點。本發(fā)明的制備方法與化學氣相沉積、化學氣相沉積，物理氣相沉積，聚合物熱解法 等方法相比較，設備和工藝過程簡單，實驗可控性好，制備成本低，產(chǎn)品易生產(chǎn)，純度較高， 有望作為一種新型的電極材料在高效高壽命電池、電容器等領域得到應用。本發(fā)明制備的碳復合膜通過Raman光譜、透射電鏡(TEM)和掃描電鏡(SEM)證明 該碳復合膜同時具有石墨烯和類金剛石碳的結構。本發(fā)明的石墨烯-類金剛石碳復合薄膜有望作為一種新型的電極材料在高效高 壽命電池、電容器等領域得到應用。
具體實施例方式實施例1:稱取0. 6mg的GS，60mg的20wt %的PDDA加高純水稀釋到Iwt % (GS和PDDA質量 比為1 2)，在超聲粉碎機中超聲粉碎30min，功率為600W。然后在離心機中分離過量的 PDDA，首次離心轉速300rpm保留上層濁液去除沉淀的物質，之后離心上層濁液加適量高純 水轉速16000rpm，去除上層清液沉淀物加高純水進行微波超聲lOmin，功率200W，重復分離 超聲3次之后，用甲醇代替高純水重復工作3次，將最終離心分離出的GS-PDDA加入500ml 無水甲醇中，配置成0. 005mg/ml的混合液，作為有機前驅體。稱量120ml的GS-PDDA甲醇 混合液置于三口瓶中，50°C水浴加熱，回流冷凝，在氮氣的保護下加壓1600V，沉積8 10h。 生成均用的GS-DLC碳復合薄膜。實施例2:稱取1. 5mg的GS，50mg的20wt %的PDDA加高純水稀釋到Iwt % (GS和PDDA的質 量比為1 4)，超聲粉碎機中超聲粉碎30min，功率為600W。然后在離心機中分離過量的 PDDA，首次離心轉速500rpm保留上層濁液去除沉淀的物質，之后離心上層濁液加適量高純 水轉速15000rpm，去除上層清液沉淀物加高純水進行微波超聲lOmin，功率200W，重復分離 超聲3次之后，用甲醇代替高純水重復工作2次，將最終離心分離出的GS-PDDA加入300ml 無水甲醇中，配置成0. 005mg/ml的混合液，將配制好的0. 005mg/ml的GS-PDDA甲醇混合液 加甲醇稀釋到0. 0001mg/ml，在微波超聲機中超聲分散lOmin，功率200W。然后將其作為有 機前驅體置于120ml到三口瓶中，50°C水浴加熱，回流冷凝，在氮氣的保護下加電壓1600V， 沉積8-10h。生成均用的GS-DLC碳復合薄膜。 利用兩種不同濃度配比的GS-PDDA甲醇混合液制備的GS-DLC碳復合膜進行Raman光譜分析發(fā)現(xiàn)，二者的峰形有明顯的差異，相對與純GS膜出現(xiàn)了 DLC的特征峰；掃描電鏡分 析GS-PDDA碳復合膜和純石墨烯膜的結構，可以明顯看出復合膜片上有DLC顆粒沉積；透射 電鏡分析復合膜內部結構，對比純石墨烯結構，含有DLC碳顆粒的復合膜明顯的衍射結晶 分析減弱，證實了存在DLC碳顆粒的非晶結構。
權利要求
1.一種石墨烯-類金剛石碳復合薄膜的制備方法，其特征在于該方法按照下列順序步 驟進行a將石墨烯和聚二烯丙基_ 二甲基氯化銨混合，在超聲粉碎機中超聲粉碎石墨烯，以促 進石墨烯與聚二烯丙基-二甲基氯化銨的結合；b將混合后的聚二烯丙基_ 二甲基氯化銨-石墨烯混合液用蒸餾水超聲分散離心分離， 然后再用甲醇溶液洗滌聚二烯丙基_ 二甲基氯化銨_石墨烯；將修飾后的聚二烯丙基_ 二 甲基氯化銨_石墨烯的甲醇分散液在真空干燥獲得聚二烯丙基_ 二甲基氯化銨_石墨烯粉 末；c將聚二烯丙基_ 二甲基氯化銨_石墨烯粉末分散在甲醇溶液中作為電解質，用單晶 硅作陰極，鉬片作陽極浸泡在電解液中，氮氣保護，回流冷凝，恒壓下進行電沉積，制成石墨 烯-類金剛石碳復合薄膜。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于聚二烯丙基-二甲基氯化銨與石墨烯的質量 比為0. 25 0. 5。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于將聚二烯丙基_二甲基氯化銨_石墨烯分散 液置于離心機中分別在轉速為300 500rpm和14000 16000rpm下處理，重復3 6次。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于用聚二烯丙基_二甲基氯化銨_石墨烯的甲 醇分散液作為電解液，單晶硅片作為陰極，鉬片作為陽極，在氮氣的保護下，回流冷凝，控制 溫度在40 50°C，直流高電壓1200 1600V，電沉積8 10h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種石墨烯-類金剛石碳復合薄膜的制備方法。該方法通過甲醇和聚二烯丙基-二甲基氯化銨修飾過的石墨烯為電解質前驅體，在氮氣的保護下，回流冷凝，單晶硅片作陰極，鉑片作為陽極通過直流高電壓，電沉積石墨烯-類金剛石碳復合薄膜。本發(fā)明有望作為一種新型的電極材料在高效高壽命電池、電容器等領域得到應用。
文檔編號C25D9/08GK102102215SQ20091011774
公開日2011年6月22日 申請日期2009年12月18日 優(yōu)先權日2009年12月18日
發(fā)明者楊娟, 薛群基, 閻興斌 申請人:中國科學院蘭州化學物理研究所