氢气热处理制备大块导电石墨烯薄膜及表征

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)江苏大学材料科学与工程学院 作者:赵 南

  通过真空抽滤水中分散良好的氧化石墨烯获得薄膜,并在600℃氢气气氛中保温2h还原即可获得含氧量极低的大片导电石墨烯(GE)薄膜。以X 射线衍射(XRD)、红外分析(FT-IR)、拉曼光谱仪(Ramanspectroscopy)研究氢气气氛热处理前后薄膜的物相、官能团组成和分子结构;采用SEM 观察石墨烯薄膜的表面形貌;采用四探针测试仪对氢气气氛热处理前后薄膜的电学行为进行了对比考察。

  实验结果表明,氢气气氛热处理氧化石墨烯可以获得含氧量极低且导电性能优良的石墨烯;96mL 浓度为0.0937mg/mL的氧化石墨烯溶液抽滤膜经氢气处理后获得的石墨烯薄膜方阻达到11.3Ω/□,薄膜电阻率为0.6Ω/cm。

1、引言

  石墨烯(graphene)作为独立存在的由sp2 杂化碳原子紧密堆积而成的二维晶体材料,自2004年被英国曼彻斯特大学的科研小组发现以来,以其在透明导电材料、气敏传感器、超级电容器等科学研究领域的独特性能,引起了科研工作者的广泛关注。其中石墨烯卓越的导电性能尤其引人瞩目,据S.Novoselov等研究报道微机械沉积法获得的石墨烯在室温下的电子转移率超过2000m2/(V·s),并表现出不同寻常的量子霍尔效应;另据其它科研小组研究发现在悬浮液或者高温处理的石墨烯中,电子传导率可超过200,000cm2/(V·s)[7,8]所以对场效应和大型横向延伸有敏锐反应,因此石墨烯有望取代碳纳米管在场效应转换器领域引起新的革命。

  石墨烯器件的研发和应用必将给人类社会带来跨越式的发展。如何制备大块石墨烯是其走向实际应用的巨大挑战之一,利用氧化石墨烯在水中分散性良好的特点,采用真空抽滤法制得氧化石墨烯薄膜并在氢气气氛中高温热处理,对氢气处理前后的物相、官能团组成、分子结构及薄膜电学性能进行了对比表征。

2、实 验

  2.1、制备氧化石墨烯薄膜

  将由改进的Hummers 法获得的氧化石墨(GO),稀释至0.1mg/mL后超声振荡2h使氧化石墨片层充分剥离,即获得均分散的氧化石墨烯胶体溶液。采用Wiggens公司生产的ChemVak真空过滤泵和Millipore公司生产的孔径为25nm 的滤膜,将超声振荡过的96mL氧化石墨烯抽滤成膜,真空40℃烘干。

  2.2、薄膜热处理

  氢气气氛热处理氧化石墨烯薄膜,处理条件设置为:氢气与氩气流量分别为1.75和3L/min;反应温度由40℃经285min升高到600℃、保温2h,自然冷却到室温。

  2.3、分析测试

  采用RigakuD/max2500型X射线衍射仪测定样品的物相结构,辐射源采用CuKα(λ=0.15418nm),以7°/min速度连续扫描;采用WQF-400N 型傅立叶变换红外光谱仪,检测还原前后粉体官能团的变化,采用KBr压片法,扫描波数范围为400~4000cm-1;采用Raman光谱仪分析样品的分子结构;采用RTS-9型四探针测试仪测试薄膜室温电学性能。

3、结果与讨论

  3.1、XRD分析

  对鳞片石墨、氧化石墨、氢气气氛热处理产物的物相组成进行XRD 分析。如图1(a)所示,鳞片石墨的图谱中2θ=26.51°处狭窄、强烈的衍射高峰和2θ=54.65°处的狭窄衍射峰分别对应于石墨晶体的(002)晶面和(004)晶面,由布拉格公式可知晶面间距d(002)=0.33nm,d(004)=0.17nm。GO 图谱中石墨(002)晶面衍射峰前移到2θ=10.52°处,与文献报道相符,由布拉格公式可知晶面间距d =0.83nm,含氧基团的插入使得石墨层间距扩大;在22~27°之间有宽化的氧化基团的衍射峰。经过热处理氢气气氛还原后,GE在2θ=26.00°处有狭窄、强烈的衍射高峰(图1(b))。这表明,氢气将含氧功能团移除,sp2 杂化轨道的碳碳键得到恢复。片层间距减小,C(002)接近鳞片石墨的峰位。

鳞片石墨、氧化石墨和GE的XRD光谱图

图1 鳞片石墨、氧化石墨和GE的XRD光谱图

结论

  氢气气氛热处理真空抽滤氧化石墨烯薄膜的方法可以获得含氧量极少的大块石墨烯薄膜。发现600℃、2h氢气还原获得的石墨烯的红外谱图与鳞片石墨相似度极高;拉曼分析表明石墨烯和氧化石墨的G’峰基本消失,G 峰与石墨相比向波段微小移动;氧化石墨薄膜经氢气气氛热处理后表面有肉眼可见的波浪状起伏,边缘出现强烈卷曲。96mL 浓度为0.0937mg/mL的氧化石墨烯溶液抽滤膜经氢气处理后导电性能优良,其方阻达到11.3Ω/□,薄膜电阻率为0.6Ω/cm。

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