超大尺寸石墨烯－单壁碳纳米管复合透明导电薄膜的制备

将石墨烯应用于透明导电薄膜领域是当前的一个研究热点，本项目巧妙设计了一种利用静电层层自组装的方法法来制备碳纳米管掺杂的超大尺寸石墨烯（Ultra-large graphene oxide (UL-GO)）复合薄膜的方法。首先采用嵌入-扩张-剥离-氧化的方法来制备高质量UL-GO，并采用可实现单分子沉积的Langmuir-Blodgett方法将负电性的UL-GO附着于处理过的基片上，然后通过旋涂或者浸渍涂布的办法沉积另一层带正电荷的单壁碳纳米管，如此重复，可以得到具有超高导电性和透明度不同厚度的复合薄膜。同时，根据实验结果，建立分子模型，利用分子力学和分子动力学模拟的方法对复合薄膜进行模拟，对层层自组装的过程和机理进行解释，预见不同分子结构和化学修饰对薄膜性质的影响。可以预计，本项目的崭新思路如能取得预期效果，在透明导体应用领域将具有非常重要的意义和广阔的应用前景。

通过本课题研究，发明了一种利用插层，高温膨胀剥离和化学氧化来大规模高效制备超大尺寸氧化石墨烯的方法，其尺寸可达约100微米，产出率可达50%。研究发现，利用化学方法来制备氧化石墨烯，其最终尺寸主要取决于以下三方面:1)石墨烯的氧化程度;2) 是否存在超声处理步骤;3)初始鳞片石墨的大小。因此，超大尺寸氧化石墨烯的制备过程为首先利用强酸对石墨进行插层处理，得到石墨层间化合物，然后利用高温（约1050摄氏度）对石墨层间化合物进行瞬时膨胀，最后利用Hummers方法对得到的膨胀石墨进行氧化。由于在氧化处理之前石墨就已经被充分剥离，只需要简单对溶液进行摇晃就可得到分散良好的超大尺寸氧化石墨烯。在成功制备超大尺寸氧化石墨烯的基础上，通过Langmuir-Blodgett自组装技术将单层的超大尺寸氧化石墨烯薄膜转移到基体上，之后用同样的方法沉积另一层单壁碳纳米管，如此重复，可以得到不同层数的复合薄膜。高温热还原的超大尺寸氧化石墨烯-单壁碳纳米管复合薄膜具有77-86%的透明度和180-560 Ohm/sq的表面电阻。利用同样的自组装过程，复合薄膜也可以均匀的沉积于柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基体的表面。利用氢碘酸进行低温化学还原后的柔性复合薄膜具有90.3%的透明度和8.1 kOhm/sq的表面电阻。由于本复合过程为高效层层Langmuir–Blodgett自组装，为工业化大规模制备具有优异光电性能的复合薄膜提供了理想途径。