CN117284635A - 基于石墨烯薄膜包覆式气体分子储存及可控释放装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于石墨烯薄膜包覆式气体分子储存及可控释放装置，属于微纳元件应用领域。本装置包括压盖、石墨烯薄膜和柔性基底；柔性基底上开设若干凹槽；石墨烯薄膜铺设在柔性基底表面，并通过预拉伸柔性基底的生产方法得到弯曲态的石墨烯薄膜，在无外力作用下薄膜由于机械变形而保持为封闭的管状储存囊形态；两端使用压盖封闭，以防气体分子外逸。本发明以石墨烯薄膜的机械弯曲变形实现储存空间的开放和闭合，能够快速完成气体的收集，并通过控制储存空间的开口大小控制内部气体分子的释放速率；相较于现有的吸附式储气方法具有更高的储存速度，以及简易可控的气体释放功能；装置适用的气体范围广，可多次重复使用。

Description

基于石墨烯薄膜包覆式气体分子储存及可控释放装置

技术领域

本发明涉及一种基于石墨烯薄膜包覆式气体分子储存及可控释放装置，属于微纳元件应用领域。

背景技术

储氢技术是指将氢气安全、高效地储存在合适的载体中，以便在需要时释放出来使用的技术。常用的储氢技术包括压缩储氢、液化储氢、吸附储氢、化学储氢和物理储氢。应用纳米材料对氢分子进行吸附的方法是近年来储氢技术的热门研究方向。其中，石墨烯材料和碳纳米管凭借其稳定的化学性能和超大比表面积的特点在吸附式储氢应用中显示出优势。利用石墨烯材料进行储氢的设计原理通常可分为物理吸附、石墨烯的掺杂改性以及催化储氢；

物理吸附储氢是利用石墨烯优异的比表面积，将氢气以分子的形式储存和释放。氢分子与未掺杂的原始石墨烯材料之间结合能较低，直接吸附的稳定性较差，储氢效率低，需在低温下储存，且吸附后氢气的释放无法实现可控。

使用碱金属、过渡金属或类金属可以对石墨烯材料进行掺杂改性，提高石墨烯材料的储氢效率。虽然石墨烯的掺杂性能得到了广泛的研究，且表现出一定优势，但大多数现有工作仅停留在理论分析的阶段，真正在实验中实现储氢功能提高的掺杂原子或功能团十分有限，且大部分材料目前无法实现可控大量生产。以此为基础，实际应用且有效提高储氢能力的改性石墨烯材料鲜有报道。

催化储氢是使用石墨烯或其衍生物作为催化剂将水电解产氢，并将氢气储存在储氢材料或储氢电极中。但目前以石墨烯为基础的储氢设计普遍具有理论设计转化率低、储氢密度低、无法稳定可控释放、重复利用、成本造价高等缺点。

与储氢技术类似的气体储存及可控释放技术在环境检测、生物医疗、实验研究等许多领域有广泛的应用需求。

发明内容

本发明得到目的是为了解决现有物理吸附式储氢能力低、无法可控释放的问题，提供一种基于石墨烯薄膜包覆式气体分子储存及可控释放装置。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

基于石墨烯薄膜包覆式气体分子储存及可控释放装置，包括压盖、石墨烯薄膜和柔性基底；柔性基底上开设若干凹槽；石墨烯薄膜铺设在柔性基底表面，并通过预拉伸柔性基底的生产方法得到弯曲态的石墨烯薄膜，在无外力作用下薄膜由于机械变形而保持为封闭的管状储存囊形态；两端使用压盖封闭，以防气体分子外逸；

所述柔性基体材料为聚硅氧烷(PDMS)。

【分子收集】拉伸基底材料使石墨弯曲程度降低，封闭的储存结构打开。外部分子进入储存囊，去除外力后基底弹性收缩回原始状态，储存囊恢复至封闭状态，石墨烯材料对内部分子起到包覆储存的作用。微米尺度的结构需在储存囊两端使用压盖封闭(可同为弹性材料PDMS)，以防气体分子外逸。纳米尺度弯曲的石墨烯薄膜捕捉的气体分子数量少，其对分子的吸附作用显著，分子很难出现外逸(类似于气体分子储存于细长的碳纳米管内)，因此可以考虑不使用压盖对两端进行封闭。

【分子储存、运输】石墨烯薄膜化学性质稳定，可以阻止气体和液体的渗透，对所包覆分子提供良好的储存条件，也增加了运输的安全、稳定性。长期储存、运输需要在两端用压盖密封(PDMS压盖外应增加金属压盖以施加外界约束)。

【分子释放】拉伸基底材料，封闭的储存结构打开，石墨烯材料包覆的分子释放至所需环境中。通过改变基底拉伸程度可以调节包覆结构开启的程度，进而实现对释放速率的调节。

【装置回收、重复利用】针对单一分子类型的储存(如储氢)，可以直接实现装置的重复利用；针对多目标复杂环境下的应用，需要针对应用需求对石墨烯薄膜进行惰性气体(氮气、氦气)或真空条件下的清洁。清洁时需要拉伸基底材料舒展石墨烯薄膜，再由惰性气体高速清理表面，或放置于真空箱中低温加热(详见制备方法步骤五)。

制备上述装置的方法，包括如下步骤：

步骤一、根据所需的容积计算设计基底的凹槽构型和在凹槽基础上添加凸檐的方形空腔构型；空腔结构可由多种材料(如硅、金属等)与弹性基体材料PDMS组合而成，可以起到辅助石墨烯薄膜闭合的作用，也可增加结构的气体储存体积比例；

步骤二、按照步骤一的凹槽构型和空腔构型，在基底材料上加工出相应结构；基体材料可选择为PDMS，该材料的拉伸率可达到900％；PDMS成型技术已经成熟，微米量级的表面特征可以通过刻蚀后的硬模板(如硅、石英或金属模板)浇铸-固化-脱膜一系列标准流程制备；纳米尺度的表面特征需要使用紫外压印或等离子体刻蚀等方法；

步骤三、根据所需拉伸-闭合尺寸对基底材料进行预拉伸；预拉伸应确保铺覆的石墨烯薄膜在撤去外力后可以形成完全闭合的管状储存囊；预拉伸尺寸应略大于理想闭合状态条件下石墨烯纳米带的截面周长，周长值由步骤一中的凹槽几何尺寸决定拉伸尺寸详见下一节结构尺寸设计；

步骤四、低压条件下铺覆石墨烯薄膜，以确保石墨烯薄膜与基底之间形成封闭低压条件；

步骤五、石墨烯薄膜清洁；保持基体横向拉伸，在石墨烯薄膜舒展的条件下，将装置置于真空箱内低温加热，以去除石墨烯膜表面附着的分子；

步骤六、撤去外力，弹性基体收缩，石墨烯膜内凹，使用压盖封闭两侧，装置完成；

步骤一所述根据所需的容积计算设计基底的凹槽构型方法为：

在无凸檐结构的开放式凹槽条件下，理想闭合状态的石墨烯膜的端面几何形状可简化为由四个全等的圆弧相切连接成为的对称“几”字形，每个圆弧的弧度为150°，底端两圆弧相接触，与上端两圆弧共同形成一个近似圆形的封闭空间。

为容纳弯曲闭合的石墨烯膜，凹槽的几何尺寸应保证：

其中R理想闭合状态圆弧的半径；

此时气体存储空间与空腔之间的体积比为30.5％；

端面观察条件下凹槽中所容纳的石墨烯薄膜的周长C为：

C＝10πR/3 (4-2)

完全展开条件下(石墨烯展为平面)，基底的拉伸率为523％，小于PDMS材料的极限弹性拉伸率900％；

单位宽度的石墨烯薄膜所需要的碳原子数为：

其中d₁和d₂为石墨烯晶格长度；

得到单位宽度的石墨烯薄膜储存的气体质量为：

其中ρ为所储存气体的密度；

单个凹槽的储存体积为：

其中l为凹槽长度；

单个凹槽的储存质量为：

所储存的气体质量与所需石墨烯薄膜的质量比为:

2.764×10⁵×R×ρ (4-7)

计算中半径R的单位为米，气体密度ρ的单位为kg/m³；

步骤一所述根据所需的容积计算设计基底的方形空腔构型的方法为：

通过在凹槽顶部增加开口宽度小于凹槽的凸檐结构，开放式凹槽变为顶部留有一开口的方形空腔，气体的储存比例能够进一步提高，理想闭合状态的石墨烯膜的几何形状可简化为由两个全等的大圆弧和两个全等的小圆弧相切连接成为的对称“几”字形，每个圆弧的弧度大于150°小于180°，底端两小圆弧相接触，与上端两大圆弧共同形成一个近似圆形的封闭空间；

凹槽的几何尺寸应保证：

其中x为凸檐相对凹槽的伸出长度；

增加凸檐长度可以增加气体储存空间比率，其值大于无凸檐的纯凹槽结构，但其极限值不超过78％；

凸檐相对凹槽的单侧伸出长度x应小于凹槽宽度的30％：

x<30％宽度 (4-9)

以保证舒展条件下基底柔性材料拉伸率小于其弹性极限；

端面观察条件下方形空腔中所容纳的石墨烯薄膜的周长C为：

C＝2θ×(2R-x)+2x (4-10)

其中θ为圆弧所对应的圆心角(以弧度为单位)；

单个空腔的储存体积为

储存的气体质量与所需石墨烯薄膜的质量比大于纯凹槽结构，小于

4.381×10⁵×R×ρ (4-12)；

有益效果

1、本发明公开的一种基于石墨烯薄膜包覆式气体分子储存及可控释放装置，以石墨烯薄膜的机械弯曲变形实现储存空间的开放和闭合，能够快速完成气体的收集，并通过控制储存空间的开口大小控制内部气体分子的释放速率；相较于现有的吸附式储气方法具有更高的储存速度，以及简易可控的气体释放功能。

2、本发明公开的一种基于石墨烯薄膜包覆式气体分子储存及可控释放装置具有稳定的化学性能，所使用的石墨烯材料的单层结构和高度紧密的原子排列可以阻止气体和液体的渗透，比表面积可达到2630m²/g，对所储存的目标气体分子无选择性，可适用的分子类型范围广，在危险气体分离、存储和防腐蚀等应用领域具有潜在的应用价值。

3、本发明公开的一种基于石墨烯薄膜包覆式气体分子储存及可控释放装置可以根据使用需求对装置尺寸进行设计，可以实现微米、纳米尺度的气体采样、收集、储存及可控释放，便于实现小尺度的气体分子调控，可应用于环境检测、生物医疗实验等多个方向，也可以与其他微纳元器件配合使用。

4、本发明公开的一种基于石墨烯薄膜包覆式气体分子储存及可控释放装置可以使用自动控制系统对储存结构进行开放和闭合，也可以使用无电路系统的纯机械控制，因此可应用于精密测量、医疗设备、航空器等对电磁信号敏感或需要完全避免电磁干扰的场合。

5、本发明公开的一种基于石墨烯薄膜包覆式气体分子储存及可控释放装置可以多次重复使用。弹性基体材料聚硅氧烷(PDMS)拉伸率可达到900％，可以满足本发明所设计的结构的往复拉伸变化，单层石墨烯具有良好的机械性能，能够承受纳米及微米尺度的大角度弯曲及往复变形；通过制备方法步骤五对储存空间和石墨烯薄膜进行清洁，装置可以实现针对相同或不同目标分子的多次收集、储存及可控释放，有效降低使用成本。

6、本发明公开的一种基于石墨烯薄膜包覆式气体分子储存及可控释放装置具有良好的低温性能，其中柔性基底材料PDMS在低温条件下能够保持其物理和化学性质，即使在液氮温度(-196℃)下，PDMS仍能够保持良好的柔韧性和弹性；石墨烯材料在低温条件下强度和刚度会增加，不易变脆或发生断裂；因此装置可以在低温条件下对气体内容物进行储存，可应用于温度敏感的气体分子储存，如生物实验中收集气溶胶样本，或通过低温增加气体密度以提高内容物的存储量。

附图说明

图1本发明的一种基于石墨烯薄膜包覆式气体分子储存及可控释放装置原理示意图，通过石墨烯薄膜的机械变形实现分子的收集-储存-释放功能；图中深色部分示意为石墨烯薄膜，阴影部分示意为石墨烯薄膜附着的基底材料，圆形示意为所收集的分子。

图2本发明的柔性基底凹槽构型；左图为单个凹槽的截面几何形状，右图为基底三维几何形貌示意图。

图3本发明的使用凹槽构型理想闭合状态条件下的石墨烯膜的端面几何形状；左图为单个凹槽内的石墨烯截面几何形状，右图为柔性基底表面覆盖石墨烯薄膜三维几何形貌示意图。

图4本发明的储存装置在两端使用压盖封闭示意图。

图5本发明的实施例1中管状储存囊的开口距离与拉伸率关系图。

图6本发明的空腔结构示意图，通过在凹槽顶部增加开口宽度小于凹槽的凸檐结构，开放式凹槽变为顶部留有一开口的方形空腔。

图7本发明的使用空腔构型理想闭合状态条件下石墨烯膜的端面几何形状示意图；石墨烯薄膜附着在表层材料之上，凸檐结构可以辅助薄膜的闭合。

图8本发明的实施例2中石墨烯膜的端面几何尺寸示意图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1

【纳米尺度常温常压储氢】如图1所示，本发明所提出的一种基于石墨烯薄膜包覆式气体分子储存及可控释放装置通过石墨烯薄膜的机械变形实现分子的收集-储存-释放功能。以纳米尺度储氢应用为例，使用凹槽无凸檐设计。基底凹槽的几何形状如图2所示，凹槽为低于基底表面高度的方形空间，沿宽度方向阵列得到装置整体的基底。

根据装置制备步骤，凹槽的几何尺寸关系应满足公式(4-1)，取R＝10nm：

计算得到宽度为20nm,深度为38nm，长度10μm。柔性基底长宽高尺寸为(10μm×30μm×200nm)，宽度方向设计有250个相同的凹槽特征，每两个特征之间的距离为20nm，且宽度方向两侧面与外力施加装置固连。选择PDMS为柔性基底材料，使用电子束刻蚀制作纳米结构模具，将PDMS预聚体与交联剂混合，借助所制备好的模具进行复制得到柔性基体。

如图3所示，理想闭合状态的石墨烯膜的端面几何形状可简化为由四个全等的圆弧相切连接成为的对称“几”字形，每个圆弧的弧度为150°，底端两圆弧相接触，与上端两圆弧共同形成一个近似圆形的封闭空间。利用公式(4-2)计算端面观察条件下凹槽中所容纳的石墨烯薄膜的周长C为：

完全展开条件下(石墨烯展为平面)，基底的拉伸率为523％。在PDMS固化过程中加入金属固连件，待完全固化后在凹槽宽度方向施加拉力，预拉伸时比例略大于完全展开条件下的拉伸率，此处取为530％。

取单层石墨烯膜面积大于(10μm×31.2μm)，于真空手套箱内移附于PDMS基底上，卸载使基底拉伸度为初始长度400％，降低真空度至标准大气压。于氢气保护条件下真空箱内加热500℃两小时以脱去表面附着分子或功能团。卸载使柔性基底沿凹槽宽度方向收缩，得到纳米尺度的储氢微纳装置。

使用时将基底两端拉伸至初始长度的200％，暴露在常温常压氢气中，卸载使基底恢复至原始长度，即实现氢气的收集。如图4所示，在装置两端使用压盖封闭，以保证储存过程中装置的密封。

应用公式(4-4)可求得本实施例中的储存气体体积为：

本实施例中储氢体积比为30.5％，氢气密度约为0.081kg/m³，储氢质量为6.688×10^-20kg(3.345×10^-17mol)，储氢分子的个数约为2.01×10⁷个。所储存的气体质量与所需石墨烯薄膜的质量比为2.23×10^-4。

若降低环境温度，在0℃条件下储存氢气，氢气密度约为0.089kg/m³，储存氢气体积为8.26×10^-19m³，质量为7.423×10^-20kg(3.712×10^-17mol)，储氢分子的个数约为2.23×10⁷个。所储存的气体质量与所需石墨烯薄膜的质量比为2.48×10^-4。

通过控制基体的拉伸长度可以实现氢气可控释放。如图5所示，随着柔性基体拉伸，管状储存囊的开口距离逐渐增大，且基底拉伸率与开口距离近似成线性关系。通过控制基底的拉伸比率即可控制储存囊开口大小，进而控制气体的释放速度。较大的开口距离有利于分子的释放及扩散。通过舒展石墨烯膜可以实现气体的完全释放，即当拉伸率达到523％时气体完全释放。

将装置再次至于氢气环境收集气体，可实现重复利用。

使用本发明所设计的装置可以通过机械式控制方法实现纳米尺度的氢气储存及可控释放。能够快速完成气体的收集，并通过控制储存空间的开口大小控制内部气体分子的释放速率；相较于现有的吸附式储气方法具有更高的储存速度，以及简易可控的气体释放功能。相同装置也可以应用于其他气体的储存及可控释放。

实施例2

【微米尺度常温常压储氢】以微米尺度储氢应用为例，微米尺度储存条件下，柔性基底采用附加凸檐的方形空腔构型。如图6所示，通过在凹槽顶部增加开口宽度小于凹槽的凸檐结构，开放式凹槽变为顶部留有一开口的方形空腔。再将石墨烯薄膜附着在凸檐材料表层之上。如图7所示，理想闭合状态的石墨烯膜的几何形状可简化为由两个全等的大圆弧和两个全等的小圆弧相切连接成为的对称“几”字形，每个圆弧的弧度大于150°小于180°，底端两小圆弧相接触，与上端两大圆弧共同形成一个近似圆形的封闭空间。

根据装置制备步骤，凹槽的几何尺寸关系应满足公式(4-8),取R＝1μm，凸檐伸长量为x＝600nm：

理想闭合状态下空腔及石墨烯膜的端面几何尺寸如图8所示。计算得到宽度为2μm,深度为2.8μm，长度100μm。柔性基底长宽高尺寸为(100μm×300μm×6μm)，宽度方向设计有50个相同的凹槽特征，每两个特征之间的距离为2μm，且宽度方向两侧面与外力施加装置固连。选择PDMS为柔性基底材料，使用电子束刻蚀制作纳米结构模具，将PDMS预聚体与交联剂混合，借助所制备好的模具进行复制得到柔性基体。选择铜作为金属固连件及凸檐层。在PDMS固化过程中加入金属固连件，以及宽度800nm长度100μm间距3.2μm的长方形孔隙阵列的凸檐层。待完全固化后在凹槽宽度方向施加拉力。

利用公式(4-10)计算端面观察条件下凹槽中所容纳的石墨烯薄膜的周长C为

C＝2θ×(2R-x)+2x＝9.185μm (4-17)

预拉伸时比例为初始长度的459％。取单层石墨烯膜面积大于(100μm×560μm)，于真空手套箱内移附于PDMS基底上，卸载使基底拉伸度为初始长度350％，降低真空度至标准大气压。于氢气保护条件下真空箱内加热500℃两小时以脱去表面附着分子或功能团。卸载使柔性基底沿凹槽宽度方向收缩，得到微米尺度的储氢微纳装置。

使用时将基底两端拉伸至初始长度的200％，暴露在常温常压氢气中，卸载使基底恢复至原始长度，即实现氢气的收集。

应用公式(4-11)可求得本实施例中的储存气体体积为：

氢气密度约为0.081kg/m³，质量为1.289×10^-15kg(6.4×10^-13mol)。所储存的气体质量与所需石墨烯薄膜的质量比约为0.0246。

通过控制基底的拉伸比率即可控制储存囊开口大小，进而控制气体的释放速度。较大的开口距离有利于分子的释放及扩散。通过舒展石墨烯膜可以实现气体的完全释放。

使用本发明所设计的装置可以通过机械式控制方法实现微米尺度的氢气储存及可控释放。相同装置也可以应用于其他气体的储存及可控释放。

实施例3

【实验用二氧化氮分子的储存及可控释放】测试有害气体传感器的实验中需要ppm，ppb甚至ppt量级的气体浓度，使用本发明装置可以实现气体分子的浓度调控。以微米尺度二氧化氮(NO₂)分子的可控释放为例，微米尺度储存条件下，柔性基底采用如图6所示的附加凸檐的方形空腔构型，再如图7所示将石墨烯薄膜附着在凸檐材料表层之上。根据装置制备步骤，设计凹槽宽度为2μm,深度为2.8μm，长度100μm，凸檐伸长量为x＝600nm。柔性基底长宽高尺寸为(100μm×300μm×6μm)，宽度方向设计有50个相同的凹槽特征，每两个特征之间的距离为2μm，且宽度方向两侧面与外力施加装置固连。选择PDMS为柔性基底材料，使用电子束刻蚀制作纳米结构模具，将PDMS预聚体与交联剂混合，借助所制备好的模具进行复制得到柔性基体。选择铜作为金属固连件及凸檐层。在PDMS固化过程中加入金属固连件，以及宽度800nm长度100μm间距3.2μm的长方形孔隙阵列的凸檐层。待完全固化后在凹槽宽度方向施加拉力。计算得到空腔中石墨烯薄膜的周长为9.185μm，预拉伸时比例为初始长度的459％。取单层石墨烯膜面积大于(100μm×560μm)，于真空手套箱内移附于PDMS基底上，卸载使基底拉伸度为初始长度350％，降低真空度至标准大气压。于氢气保护条件下真空箱内加热500℃两小时以脱去表面附着分子或功能团。卸载使柔性基底沿凹槽宽度方向收缩，得到微米尺度的储氢微纳装置。理想闭合状态下空腔及石墨烯膜的端面几何尺寸如图8所示。

使用时将基底两端拉伸至初始长度的200％，暴露在NO₂气体中，卸载使基底恢复至原始长度，即实现NO₂分子的收集。常温常压条件下NO₂密度约为2.62kg/m³，储存体积为1.592×10^-14m³，质量为4.17×10^-14kg(6.4×10^-13mol)。所储存的气体质量与所需石墨烯薄膜的质量比约为0.846。

将储存装置转移至氮气气体的混合仓中，拉伸基底至初始长度的400％以实现气体的完全释放，并与实验仓中的氮气完全混合，每15.92L氮气混合可得到1ppt浓度的测试气体。假设混合仓体积为1L，则得到15.92ppt浓度的NO₂测试气体。

本发明可以实现微米、纳米尺度的气体采样、收集、储存及可控释放，便于实现小尺度的气体分子调控，可应用于环境检测、生物医疗实验等多个方向，也可以与其他微纳元器件配合使用。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于石墨烯薄膜包覆式气体分子储存及可控释放装置，其特征在于：包括压盖、石墨烯薄膜和柔性基底；柔性基底上开设若干凹槽；石墨烯薄膜铺设在柔性基底表面，并通过预拉伸柔性基底的生产方法得到弯曲态的石墨烯薄膜，在无外力作用下薄膜由于机械变形而保持为封闭的管状储存囊形态；两端使用压盖封闭，以防气体分子外逸。

2.如权利要求1所述基于石墨烯薄膜包覆式气体分子储存及可控释放装置，其特征在于：还包括凸檐；通过在凹槽构型顶部增加开口宽度小于凹槽的凸檐结构，开放式凹槽构型变为顶部留有一开口的方形空腔，进一步提高气体的储存比例；所述凸檐固定在柔性基底上端。

3.如权利要求1所述基于石墨烯薄膜包覆式气体分子储存及可控释放装置，其特征在于：所述柔性基体材料为聚硅氧烷。

4.如权利要求1所述基于石墨烯薄膜包覆式气体分子储存及可控释放装置，其特征在于：拉伸基底材料使石墨弯曲程度降低，封闭的储存结构打开；外部分子进入储存囊，去除外力后基底弹性收缩回原始状态，储存囊恢复至封闭状态，石墨烯材料对内部分子起到包覆储存的作用；拉伸基底材料，封闭的储存结构打开，石墨烯材料包覆的分子释放至所需环境中；通过改变基底拉伸程度可以调节包覆结构开启的程度，进而实现对释放速率的调节。

5.制备如权利要求1所述基于石墨烯薄膜包覆式气体分子储存及可控释放装置的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、根据所需的容积计算设计基底的凹槽构型；

步骤二、按照步骤一的构型，在基底材料上加工出相应结构；

步骤三、根据所需拉伸-闭合尺寸对基底材料进行预拉伸；预拉伸应确保铺覆的石墨烯薄膜在撤去外力后可以形成完全闭合的管状储存囊；预拉伸尺寸略大于理想闭合状态条件下石墨烯纳米带的截面周长；

步骤四、低压条件下铺覆石墨烯薄膜，以确保石墨烯薄膜与基底之间形成封闭低压条件；

步骤五、石墨烯薄膜清洁；保持基体横向拉伸，在石墨烯薄膜舒展的条件下，将装置置于真空箱内低温加热，以去除石墨烯膜表面附着的分子；

步骤六、撤去外力，弹性基体收缩，石墨烯膜内凹，使用压盖封闭两侧，装置完成。

6.如权利要求5所述方法，其特征在于：步骤一所述根据所需的容积计算设计基底的凹槽构型相应尺寸的方法为：

在无凸檐结构的开放式的凹槽构型条件下，理想闭合状态的石墨烯膜的端面几何形状简化为由四个全等的圆弧相切连接成为的对称“几”字形，每个圆弧的弧度为150°，底端两圆弧相接触，与上端两圆弧共同形成一个近似圆形的封闭空间；

为容纳弯曲闭合的石墨烯膜，凹槽的几何尺寸应保证：

其中R理想闭合状态圆弧的半径；

此时气体存储空间与空腔之间的体积比为30.5％；

端面观察条件下凹槽中所容纳的石墨烯薄膜的周长C为：

C＝10πR/3 (3-2)

完全展开条件下，即石墨烯展为平面条件下，基底的拉伸率为523％，小于PDMS材料的极限弹性拉伸率900％；

单位宽度的石墨烯薄膜所需要的碳原子数为：

其中d₁和d₂为石墨烯晶格长度；

得到单位宽度的石墨烯薄膜储存的气体质量为：

其中ρ为所储存气体的密度；

单个凹槽的储存体积为：

其中l为凹槽长度；

单个凹槽的储存质量为：

所储存的气体质量与所需石墨烯薄膜的质量比为:

2.764×10⁵×R×ρ (3-7)

计算中半径R的单位为米，气体密度ρ的单位为kg/m³。

7.如权利要求5所述方法，其特征在于：步骤一还包括根据所需的容积计算设计基底的方形空腔构型的相应尺寸，具体方法为：

通过在凹槽构型顶部增加开口宽度小于凹槽的凸檐结构，开放式凹槽构型变为顶部留有一开口的方形空腔构型，气体的储存比例能够进一步提高；理想闭合状态的石墨烯膜的几何形状简化为由两个全等的大圆弧和两个全等的小圆弧相切连接成为的对称“几”字形，每个圆弧的弧度大于150°小于180°，底端两小圆弧相接触，与上端两大圆弧共同形成一个近似圆形的封闭空间；

凹槽的几何尺寸应保证：

其中x为凸檐相对凹槽的伸出长度；

增加凸檐长度可以增加气体储存空间比率，其值大于无凸檐的纯凹槽结构，但其极限值不超过78％；

凸檐相对凹槽的单侧伸出长度x应小于凹槽宽度的30％：

x<30％宽度(3-9)以保证舒展条件下基底柔性材料拉伸率小于其弹性极限；

端面观察条件下方形空腔中所容纳的石墨烯薄膜的周长C为：

C＝2θ×(2R-x)+2x (3-10)

其中θ为圆弧所对应的圆心角，以弧度为单位；

单个空腔的储存体积为

储存的气体质量与所需石墨烯薄膜的质量比大于纯凹槽结构，小于

4.381×10⁵×R×ρ(3-12)。