转移石墨烯的电化学方法_2

文档序号:9620131阅读:来源:国知局

[0046]i1.向所述石墨稀涂覆一层负载层前体,和
[0047]ii1.任选地处理所述负载层前体以提供基底-石墨烯-负载层层压材料。
[0048]通常,负载层是聚合物并且负载层前体是未固化的聚合物。通常通过旋涂涂覆负载层前体(未固化聚合物)。该前体也可以通过喷雾或滴落涂布(drop casting)来沉积。负载层可以是聚合物层,其适当地选自PMMA、CAB、PS、PVC、PVA、或其共聚物或混合物。常见的厚度为几微米左右。
[0049]处理负载层前体以提供基底-石墨烯-负载层层压材料的步骤对应于使未固化的聚合物固化的步骤。可以使用UV固化、化学固化、热固化或者其组合。
[0050]以这种方式,由此形成导电基底-石墨烯-负载层层压材料。
[0051]在根据本发明的第一方面的方法中,提供了 N-电极电化学系统,其中N为3或更大。优选N为3,但也可以是4、5、6、7、8、9或10或更多。
[0052]N-电极电化学系统示于图la和lb中,并且包含:
[0053]-至少一个工作电极(WE),其中至少一个为所述导电基底-石墨烯-负载层层压材料(WE1),
[0054]-至少一个参比电极(RE),
[0055]-至少一个对电极(CE)。
[0056]参比电极可以是电化学中的任何常用参比电极。最优选的是SCE或Ag-AgCl电极。
[0057]对电极通常为惰性电极,例如贵金属如Pt或Au电极。最优选的是具有大的比表面积的对电极。可替代地,可以使用非金属电极作为对电极,例如玻璃态碳、碳化硅。
[0058]在多通道电化学工作站(multichannel potent1stats)中,从相同稳压器立刻控制Μ电极系统是可能的(例如Μ个参比电极、Μ个对电极、Μ个工作电极),其中Μ为1至20的整数。此外,在单通道电化学工作站(single-channel potent1stats)中,可能同时将许多物理WE和CE附接至稳压器的WE和CE输出连接。
[0059]电化学系统还包含连接所述至少一个工作电极(WE,WE1)、所述至少一个参比电极(RE)和所述至少一个对电极(CE)的至少一种电解质E。因此,电极在电路中通过至少一种电解质E与稳压器连接。术语“至少一种电解质E”是指可以使用多种电解质,任选使用本领域技术人员所期望的中介盐桥(intervening salt bridges)等。例如,可以将各种类型的电解质浸入其自身的电解质槽中。然而,如图la和lb中所示,电极通常浸于电解质的单个槽中(即仅存在一种电解质E1)。
[0060]重要的是,作为导电基底-石墨烯-负载层层压材料(WE1)的工作电极与具有中性或碱性pH的液体电解质(E1)接触。在图1所示的情况下,唯一的电解质E是液体电解质E1。
[0061]在所示出的【具体实施方式】中,N= 3且电化学系统由以下组成:
[0062]-工作电极(WE),其为所述基底-石墨烯-负载层层压材料(WE1),
[0063]-参比电极(RE),
[0064]-一个对电极(CE),和
[0065]-液体电解质,其连接所述至少一个工作电极、所述参比电极和所述至少一个对电极。
[0066]本发明的电解质(E)可以是电化学中的任何常见电解质。电解质E(和特别地是液体电解质E1)适当地为水性液体,虽然非水性液体也是可能的。水性液体适当地为水性溶液,其可以包含溶质如表面活性剂、缓冲物质和盐,或可能包括可控的气体注入。使用表面活性剂,如Triton X-100或TWEEN 85以降低水的表面张力,目的在于使能够破坏石墨烯膜的力最小化。使用市售的缓冲物质如可从Sigma-Aldrich公司获得的那些来精确地控制液体的pH。盐,如KC1或NaOH,通常添加至水性液体以引入用于电化学反应的离子。可以向液体电解质添加特定气体,如干燥空气、氢气或氮气,以建立期望的条件,目的在于促进或避免某些电化学反应。
[0067]液体电解质E1具有中性或碱性pH值。如此,导电基底的蚀刻被最小化或甚至被消除。液体电解质E1适当地具有7或更高、如7.5或更高、如8或更高、如8.5或更高、如9或更高、如10或更高的pH。
[0068]—旦如所要求的布置了 N电极电化学系统,至少在所述工作电极(WE)(其为所述导电基底-石墨烯-负载层层压材料(WE1))和所述至少一个对电极(CE)的至少一个之间施加电压。同时测量工作电极(WE)(其为所述导电基底-石墨烯-负载层层压材料(WE1))和所述至少一个参比电极(RE)的至少一个之间的电压。在RE和WE之间的电压通常保持固定,而电流在WE和CE之间流动。
[0069]由此从导电基底分离石墨稀-负载层层压材料。然后可以分隔(isolate)石墨烯-负载层层压材料。
[0070]在工作电极(WE)(其为所述导电基底-石墨烯-负载层层压材料(WE1))和所述对电极(CE)之间施加电压。通过参比电极,电化学过程(和因此的石墨烯-负载层层压材料从所述导电基底的分离)也被仔细地控制。特别地,通过仔细地控制电化学过程,可以避免工作电极(WE)(其为所述导电基底-石墨烯-负载层层压材料(WE1))处产生氢气泡。这提供了从导电基底分离石墨烯的温和方法。为了避免气泡形成,在WE和CE之间施加的电压适当地为小于3V、优选小于2V、更优选小于0.9V。
[0071]此外,根据本发明的方法所允许的仔细控制意味着该导电基底适当地未被电解质完全蚀刻。以这种方式,可以保存并重复使用易碎、昂贵或难以制造的导电基底。
[0072]上述方法允许从导电基底-石墨烯-负载层层压材料分离石墨烯-负载层层压材料。然后可以分隔石墨烯-负载层层压材料。
[0073]在附加的步骤中,可以将分隔的石墨烯-负载层层压材料施加至第二基底,使得石墨烯层接触第二基底。然后例如通过常见方法(如通过溶剂溶解负载物或通过负载物的蒸发)可以除去负载层,由此在第二基底上留下石墨烯。以这种方式,石墨烯随时可用于各种电气应用中。
[0074]在第二方面,本发明提供了 N-电极电化学系统,如图la和lb中所示出的一个简单实施方式中的那样。电化学系统被用于从基底-石墨烯-负载层层压材料分离石墨烯-负载层层压材料。在本发明的电化学系统中,N为3或更大,优选为3。
[0075]电化学系统包含:
[0076]-至少一个工作电极(WE),其中至少一个为所述基底-石墨烯-负载层层压材料,
[0077]-至少一个参比电极(RE),
[0078]-至少一个对电极(CE),和
[0079]-至少一种电解质(E),其连接所述至少一个工作电极(其为所述基底-石墨烯-负载层层压材料(WE1))、所述至少一个参比电极(RE)和所述至少一个对电极(CD),其中作为所述导电基底-石墨烯-负载层层压材料(WE1)的所述工作电极与具有中性或碱性pH的液体电解质(E1)接触。
[0080]如上所述的用于本发明的方法的电化学系统的所有细节还与电化学系统本身相关。特别地,如上所述的液体电解质E1的性质是特别重要的。根据该方面的液体电解质E1适当地具有7或更高、如7.5或更高、如8或更高、如8.5或更高、如9或更高、如10或更高的pH。特别地,单个液体电解质E1可与N-电极电化学系统的所有电极(CE、WE、WE1、RE)连接。
[0081]在图la和lb的【具体实施方式】中,N-电极电化学系统是一个3电极系统(即N =3)且由以下组成:
[0082]-工作电极(WE),其为所述基底-石墨烯-负载层层压材料(WE1),
[0083]-参比电极(RE),
[0084]-对电极(CE),和
[0085]-液体电解质(E1),其连接所述工作电极(WE1)、所述参比电极(RE)和所述对电极(CE) ο
[0086]虽然本发明已参照实施例和附图中示出的许多实施方式进行了描述,其不应该被解释为受限于此。如需要,本领域技术人员可以将本发明各方面的特征组合,同时保持落入本发明的范围内。本发明的全部范围如所附权利要求书所定义。
实施例
[0087]首先比较本发明的转移技术(被称为固定过电位法(F0P))与涉及蚀刻生长基底的最常见转移技术(S.Bae et al.Nat.Nanotechnol.5 (2010) 574 - 578)[图 2,4]。为了比较,在铜箔上生长CVD石墨烯的均匀单层。然后将石墨烯通过两种不同的方法转移至氧化硅表面上。之后,对样品的光学检查表明,这两种方法的覆盖率相似地均在90%以上(如图2b中的FOP所示),证明这两种技术的良好可比性。拉曼光谱显示,对于两种转移方法,D和G峰的强度比值均一致地在0.2以下,证明小的缺陷密度水平(Andrea C.Ferrari&DenisM.Basko-Nature Nanotechnology 8, 235 - 246(2013)) 0 时间分辨太赫(THz-TDS)光谱(Time Resolved Terahertz Spectroscopy)测量表明,片材的电导率在所有样品上均是均匀恒定的,并且用F0P方法转移的样品(平均2mS)高于蚀刻样品所转移的样品(平均lmS)(图4)。透射电子显微镜(TEM)图像显示,对于本发明的F0P方
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