氫氣熱處理制備大塊導(dǎo)電石墨烯薄膜及表征
通過真空抽濾水中分散良好的氧化石墨烯獲得薄膜，并在600℃氫氣氣氛中保溫2h還原即可獲得含氧量極低的大片導(dǎo)電石墨烯(GE)薄膜。以X 射線衍射(XRD)、紅外分析(FT-IR)、拉曼光譜儀(Ramanspectroscopy)研究氫氣氣氛熱處理前后薄膜的物相、官能團組成和分子結(jié)構(gòu)；采用SEM 觀察石墨烯薄膜的表面形貌；采用四探針測試儀對氫氣氣氛熱處理前后薄膜的電學(xué)行為進行了對比考察。
實驗結(jié)果表明，氫氣氣氛熱處理氧化石墨烯可以獲得含氧量極低且導(dǎo)電性能優(yōu)良的石墨烯；96mL 濃度為0.0937mg/mL的氧化石墨烯溶液抽濾膜經(jīng)氫氣處理后獲得的石墨烯薄膜方阻達到11.3Ω/□，薄膜電阻率為0.6Ω/cm。
1、引言
石墨烯(graphene)作為獨立存在的由sp2 雜化碳原子緊密堆積而成的二維晶體材料，自2004年被英國曼徹斯特大學(xué)的科研小組發(fā)現(xiàn)以來，以其在透明導(dǎo)電材料、氣敏傳感器、超級電容器等科學(xué)研究領(lǐng)域的獨特性能，引起了科研工作者的廣泛關(guān)注。其中石墨烯卓越的導(dǎo)電性能尤其引人矚目，據(jù)S.Novoselov等研究報道微機械沉積法獲得的石墨烯在室溫下的電子轉(zhuǎn)移率超過2000m2/(V·s)，并表現(xiàn)出不同尋常的量子霍爾效應(yīng)；另據(jù)其它科研小組研究發(fā)現(xiàn)在懸浮液或者高溫處理的石墨烯中，電子傳導(dǎo)率可超過200，000cm2/(V·s)[7，8]所以對場效應(yīng)和大型橫向延伸有敏銳反應(yīng)，因此石墨烯有望取代碳納米管在場效應(yīng)轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域引起新的革命。
石墨烯器件的研發(fā)和應(yīng)用必將給人類社會帶來跨越式的發(fā)展。如何制備大塊石墨烯是其走向?qū)嶋H應(yīng)用的巨大挑戰(zhàn)之一，利用氧化石墨烯在水中分散性良好的特點，采用真空抽濾法制得氧化石墨烯薄膜并在氫氣氣氛中高溫熱處理，對氫氣處理前后的物相、官能團組成、分子結(jié)構(gòu)及薄膜電學(xué)性能進行了對比表征。
2、實 驗
2.1、制備氧化石墨烯薄膜
將由改進的Hummers 法獲得的氧化石墨(GO)，稀釋至0.1mg/mL后超聲振蕩2h使氧化石墨片層充分剝離，即獲得均分散的氧化石墨烯膠體溶液。采用Wiggens公司生產(chǎn)的ChemVak真空過濾泵和Millipore公司生產(chǎn)的孔徑為25nm 的濾膜，將超聲振蕩過的96mL氧化石墨烯抽濾成膜，真空40℃烘干。
2.2、薄膜熱處理
氫氣氣氛熱處理氧化石墨烯薄膜，處理條件設(shè)置為:氫氣與氬氣流量分別為1.75和3L/min；反應(yīng)溫度由40℃經(jīng)285min升高到600℃、保溫2h，自然冷卻到室溫。
2.3、分析測試
采用RigakuD/max2500型X射線衍射儀測定樣品的物相結(jié)構(gòu)，輻射源采用CuKα(λ=0.15418nm)，以7°/min速度連續(xù)掃描；采用WQF-400N 型傅立葉變換紅外光譜儀，檢測還原前后粉體官能團的變化，采用KBr壓片法，掃描波數(shù)范圍為400~4000cm-1；采用Raman光譜儀分析樣品的分子結(jié)構(gòu)；采用RTS-9型四探針測試儀測試薄膜室溫電學(xué)性能。
3、結(jié)果與討論
3.1、XRD分析
對鱗片石墨、氧化石墨、氫氣氣氛熱處理產(chǎn)物的物相組成進行XRD 分析。如圖1(a)所示，鱗片石墨的圖譜中2θ=26.51°處狹窄、強烈的衍射高峰和2θ=54.65°處的狹窄衍射峰分別對應(yīng)于石墨晶體的(002)晶面和(004)晶面，由布拉格公式可知晶面間距d(002)=0.33nm，d(004)=0.17nm。GO 圖譜中石墨(002)晶面衍射峰前移到2θ=10.52°處，與文獻報道相符，由布拉格公式可知晶面間距d =0.83nm，含氧基團的插入使得石墨層間距擴大；在22~27°之間有寬化的氧化基團的衍射峰。經(jīng)過熱處理氫氣氣氛還原后，GE在2θ=26.00°處有狹窄、強烈的衍射高峰(圖1(b))。這表明，氫氣將含氧功能團移除，sp2 雜化軌道的碳碳鍵得到恢復(fù)。片層間距減小，C(002)接近鱗片石墨的峰位。
圖1 鱗片石墨、氧化石墨和GE的XRD光譜圖
結(jié)論
氫氣氣氛熱處理真空抽濾氧化石墨烯薄膜的方法可以獲得含氧量極少的大塊石墨烯薄膜。發(fā)現(xiàn)600℃、2h氫氣還原獲得的石墨烯的紅外譜圖與鱗片石墨相似度極高；拉曼分析表明石墨烯和氧化石墨的G’峰基本消失，G 峰與石墨相比向波段微小移動；氧化石墨薄膜經(jīng)氫氣氣氛熱處理后表面有肉眼可見的波浪狀起伏，邊緣出現(xiàn)強烈卷曲。96mL 濃度為0.0937mg/mL的氧化石墨烯溶液抽濾膜經(jīng)氫氣處理后導(dǎo)電性能優(yōu)良，其方阻達到11.3Ω/□，薄膜電阻率為0.6Ω/cm。
