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石墨烯纳米材料论文
《应用胶体化学》论文大作业
——石墨烯纳米材料
姓名:
***
学号:
************
年级:
2009级
2011-12-11
摘要:
石墨烯是继富勒烯、碳纳米管之后发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料,它自2004年发现被以来,成为凝聚态物理与材料科学等领域的一个研究热点。
石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体,它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2杂化碳的基本结构单元,具有很多奇异的电子及机械性能。
因而吸引了化学、材料等其他领域科学家的高度关注。
本文简要介绍了石墨烯的性能特点、制备方法,着重对石墨烯纳米复合材料进行了介绍,对石墨烯纳米材料的制备方法、理化性质、国内外研究进展、石墨烯纳米材料的优缺点及应用前景进行了详细介绍。
关键词:
石墨烯纳米材料复合物特性制备应用
4.1石墨烯…………………………………………………………………………………………….17
引言
石墨烯自2004年被发现以来,因其优异的电学、力学、热学、光学等性能,已经深深地影响了物理、化学和材料学领域,被广泛应用于复合材料、纳米电子器件、能量储存、生物医学和传感器等范围,表现出巨大的潜在应用前景。
石墨烯是近年来发现的新型碳纳米材料,它基本具有碳材料的所有优点,而且还拥有更高的比表面积和导电率,能够克服碳纳米管的一些缺陷,使其成为了一个非常理想的纳米组合成分来制备石墨烯的复合材料。
自从石墨烯被发现以来,越来越多科学家开始关注基于石墨烯的复合材料的研究。
目前,石墨烯的复合材料己在催化、储能、生物医药等领域展现出优越的性质和潜在的应用价值。
例如,将石墨烯添加到高分子中,可以提高高分子材料的机械性能和导电性能;通过石墨烯与许多不同结构和性质的纳米粒子进行复合,制备出新型石墨烯-纳米粒子纳米杂化体,可以提高这些粒子在储能、催化、传感器、光电等领域的应用性能等等。
这些复合物的制备也拓宽了石墨烯材料的研究领域,使得石墨烯材料更有利于实际应用。
一石墨烯纳米材料的理论与实际意义
石墨烯本身作为一种新型碳纳米材料,由于其特殊的结构特性使其在电学、力学、热学、光学等方面具有优异的性能,如量子霍尔效应、量子隧穿效应等。
由于具有独特的纳米结构和优异的性能,石墨烯可应用于许多的先进材料与器件中,如薄膜材料、储能材料、液晶材料、机械谐振器等;石墨烯是单层石墨,原料易得,所以价格便宜,不像碳纳米管那样价格昂贵,因此石墨烯有望代替碳纳米管成为聚合物基碳纳米复合材料的优质填料。
而在石墨烯中引入其他物质制成的复合物称为石墨烯纳米复合材料。
石墨烯纳米复合材料主要分为两类:
石墨烯/无机物纳米材料和石墨烯/聚合物纳米材料。
目前制备的石墨烯纳米复合材料并不多,主要是因为石墨烯既不亲水也不亲油,反应活性不高,使得对它进行改性比较困难,从而导致与其它材料复合也比较困难。
现在制备石墨烯纳米复合材料主要是先让氧化石墨与其它材料复合,再将其中的氧化石墨还原得到石墨烯纳米复合材料;或者用改性过的石墨烯与其它材料复合。
石墨烯纳米复合材料是在石墨烯的基础上添加上具有特定性能的聚合物或无机物,使其在某一方面或某几方面具有更加优异的特性。
这使得它在很多领域都有广阔的应用前景。
石墨烯的优秀特性加上聚合物或无机物而形成的石墨烯纳米复合材料将实现高效、经济、环保等技术追求,这将迎来材料界的新革命。
二石墨烯纳米材料的国内外研究现状及比较分析
2.1石墨烯纳米材料的国内外研究
近年来,石墨烯纳米材料由于其在电学、力学、热学、光学等方面具有优异的性能,称为国内外研究的宠儿,已成为材料、化学、物理等众多领域研究的热点。
2.1.1国外研究
①石墨烯的研究
2004年,曼彻斯特大学Geim[1]等即采用机械法从高定向热解石墨(HOPG)上剥离出单层石墨烯。
他们在HOPG表面用氧等离子刻蚀微槽,并用光刻胶将其转移到玻璃衬底上,用透镜胶带反复撕揭,尔后将玻璃衬底放入丙酮溶液中超声清洗,并在溶液中放入单晶硅片,单层石墨烯会在范德华力作用下吸附到硅片表面。
后来机械法简化为直接用胶带从HOPG上揭下一层石墨,然后在胶带之间反复粘贴,石墨片层会越来越薄(其中包含单层石墨烯),再将胶带贴在衬底上,单层石墨烯就转移到衬底上了。
Novoselov等[2]用微机械分离法制备了石墨烯。
他们研究发现用另一种材料膨化或引入缺陷的热解石墨进行摩擦,体相石墨的表面会产生絮片状的晶体,这些晶体中含有单层的石墨烯。
Bunch等[3]将天然石墨絮片在二氯苯溶液中超声处理,然后将溶液滴在表面附着氧化膜的硅晶片上,用异丙醇进行洗涤,再在氮气中晾干,可以得到单层石墨烯片层形成的几纳米厚的膜。
Meyer等[4]将微机械分离法制得的含有石墨烯硅晶片放在经过刻蚀的金属架上,用酸将硅晶片腐蚀去除,制备出由金属架支撑的悬空的单层石墨烯,此外用TEM发现单层石墨烯并不是平整的平面,而是有5~10nm高度的褶皱。
Meyer等[5]还研究了单层和双层石墨烯表面的褶皱程度,发现单层石墨烯表面褶皱明显大于双层石墨烯,并且随着石墨烯层数的增加褶皱程度越来越小,最后趋于平滑。
Schleberger等[6]用微机械分离法在不同绝缘晶体基底上(SrTiO3,TiO2,Al2O3和CaF2等)制备出石墨烯,所制得的石墨烯单层厚度仅为0.34nm,远低于在SiO2基底上制备得到的石墨烯。
Srivastava等[7]用微波增强化学气相沉积法在Ni包裹的Si衬底上生长出了20nm厚的石墨烯,并研究了微波功率对石墨烯形貌的影响。
研究发现,微波功率越大,石墨烯片越小,但密度更大;且发现石墨烯片中含有较多的Ni元素。
Dato等[8]研究了一种新型等离子体增强化学气相沉积法,用乙醇作为碳源,利用Ar等离子体合成了石墨烯。
Kim等[9]用电子束蒸发的方法在SiO2/Si衬底上沉积了厚度小于300nm的Ni薄膜,再把样品放人石英管中,Ar作为保护气体,加热至1000℃,然后通入甲烷、氢气与氩气的混合反应气体,利用氩气使样品以10℃/s的速率迅速降到室温。
研究发现:
此种方法生长的石墨烯呈现一些皱褶,皱褶使得石墨烯的存在更加稳定,降温速率对抑制更多层碳薄膜的形成和石墨烯从衬底上分离起着关键作用。
Reina等[10]在用化学气相沉积法在多晶Ni薄膜表面制备了尺寸可达到厘米数量级的石墨烯。
Ruoff[11]用化学气相沉积法在Cu箔基底表面上制备了大面积、高质量的石墨烯,且主要为单层石墨烯。
Schniepp等[12]用浓盐酸、浓硝酸及过量的氯酸钾作为氧化剂,使鳞片石墨充分氧化96h,尔后在充满氩气的容器中以大于2000℃/min迅速升温至1050℃,含氧基团产生二氧化碳将石墨片层与片层剥离开。
剥离开的氧化石墨表面积高700~1500m2/g,单层氧化石墨直径约500nm,层厚1.1nm。
Stankovich等[13]研究了化学还原剥离的氧化石墨制备石墨烯薄片。
研究发现:
石墨烯片具有和初始石墨相似的性质,且比表面积高;氧化石墨烯经还原后会产生不饱和的、共轭的碳原子,使电导率显著增加,因此还原后的氧化石墨烯可应用于储氢材料或作为电传导填充料应用在复合材料领域。
Li等[14]通过用氨水调节溶液pH值,控制石墨层间的静电作用,制备出在水中稳定分散的石墨烯悬浮液,其电导率达到7200S/m。
Si等[15]通过间歇性还原制备了水溶性的石墨烯,即先用NaBH4对氧化石墨进行部分还原,然后在部分还原的氧化石墨上引入苯磺酸基团,再用水合肼进行彻底的还原得到石墨烯。
该方法制备的石墨烯在浓度为2mg/mL以下时能够稳定分散在pH为3~10的水中。
②石墨烯/聚合物复合材料
Stankovich等[17]将经过化学修饰的石墨烯在聚合物中以分子尺度分散制备出石墨烯-聚合物复合材料。
该复合材料具有较低的导电渗阈值,在体积分数为0.1%时下即可导电。
在石墨烯体积分数为1%时,复合材料的电导率达0.1S/m,2.5%时达1S/m。
Ramanathan等[19]研究了功能化的石墨烯聚合物纳米复合材料。
研究发现:
石墨烯的加入有助于克服聚合物粒子之间的相互作用,可提高聚合物的模量、强度、玻璃化转变温度和热分解温度,其效果与单壁碳纳米管相当;如加入1wt%的石墨烯薄片,聚丙烯腈的玻璃化转变温度提高40℃,在加入0.05wt%石墨烯薄片,聚甲基丙烯酸甲酯玻璃化转变温度提高近30℃。
Ansari等[21]用热还原得到的石墨烯与聚偏二氟乙烯在DMF溶液中进行复合,样品经热压成型制备得到石墨烯/聚偏二氟乙烯纳米复合材料。
研究发现:
热还原得到的石墨烯有利于聚偏二氟乙烯形成β型晶体;样品比纯聚偏二氟乙烯的热稳定性要好;含石墨烯4%的复合材料弹性模量比纯聚偏二氟乙烯提高了近2倍;石墨烯/聚偏二氟乙烯纳米复合材料的电渗滤阈值仅为2%,其电阻率随温度的升高反而降低,而通过石墨超声剥离而得到的石墨烯与聚偏二氟乙烯的复合材料电阻率随温度的升高而升高。
③石墨烯/无机物复合材料
Watcharomne等[22]用溶胶-凝胶法制备了石墨烯/SiO2纳米复合材料,研究发现:
导电率和石墨烯的添加量有关(导电率在(8.0±0.9)×10-4S/cm~(045±0.06)S/cm,对应的添加量为3.9%~11wt%),而且经400℃热处理后的样品导电率增大;氧化石墨烯/SiO2纳米复合材料的透射率很好,氧化石墨烯经还原后复合材料的透射率减小。
Ryan等[23]制备出石墨烯/金纳米复合材料,研究发现Au纳米粒子在石墨烯片上分散极好,可以应用在催化剂、光电材料、磁性材料等领域。
Paek等[24]制备出石墨烯-SnO2复合材料,研究发现:
石墨烯能够起到电子传递通道的作用,该复合材料提高了锂离子电池负极材料的比容量和循环稳定性,其比热容可以达到810mAh·g-1,而纯SnO2的比热容为550mAh·g-1;石墨烯-SnO2复合材料在循环30次以后,比容量仍可保持到570mAh·g-1,而纯SnO2的比容量在循环15次以后就会降到只有60mAh·g-1。
2.1.2国内研究
①石墨烯的研究
张辉等[26]采用室温下吸附乙烯结合高温退火的方法在Ru(0001)表面上制备了单层石墨烯,并利用STM、XPS和UPS研究了石墨烯的生长过程以及石墨烯的表面形貌和结构。
牛亮等[27]在Si/SiO2衬底上将磁控溅射镍膜作为催化剂,利用化学气相沉积制备了大面积连续的石墨烯薄膜,得到的石墨烯为1~15层,并将石墨烯薄膜转移到玻璃衬底和Si/SiO2衬底上,测量了薄膜的可见光透过率和薄膜电阻,讨论了石墨烯作为透明导电电极在光电器件上的应用。
Geng等[16]研究了纳米石墨薄片和石墨烯薄片的制备方法:
先将天然石墨片用超声波在甲酸中直接进行剥离,再经过2个步骤:
1)纳米石墨片(GNPs)化学氧化变成氧化石墨薄片(GONPs);2)氧化石墨薄片化学还原成石墨烯;用已制备出的GNPs可以得到稳定分散在水中的石墨烯。
陈成猛等[28]研究了有序石墨烯导电炭薄膜的制备,采用Hummers法合成氧化石墨,在水中超声分散获得氧化石墨烯水溶胶,通过微滤法使氧化石墨烯片定向流动组装,制得氧化石墨烯薄膜,再通过化学还原和热处理使所制氧化石墨烯薄膜脱氧,可制得电导率为184.8S/cm的石墨烯导电炭膜。
杨常玲等[29]研究了石墨烯的制备及其电化学性能,发现氧化石墨在水溶液中可剥离成单片层结构,石墨烯聚集物比表面积为358m2/g,在10mA恒流下充放电,比电容为138.6F/g,充放电容量效率为98%。
以5~50mV/s扫描速率进行循环伏安测试,石墨烯电极表现出良好的双电层电容器性能。
谢普等[30]用Hummers法将天然鳞片石墨制备成氧化石墨,用联氨对其还原,制备出石墨烯,发现制备的石墨烯具有无序的晶型、长厚比大等特点。
②石墨烯/聚合物复合材料
张好斌[31]等对微孔PMAA/石墨烯导电纳米复合材料进行了研究,发现极少量均匀分散的石墨烯即能显著改变材料泡孔结构,与纯发泡材料相比,石墨烯含量仅为0.1wt%的微孔PMAA/石墨烯纳米复合材料,其泡孔直径由37.2±12.5μm减小到8.12±2.3μm,泡孔密度则从9.87×107个/cm3增大到7.27×109个/cm3,增长了近2个数量级,为制备综合性能优异的微孔发泡材料提供了基础。
Fan等[18]利用石墨烯的高比表面积和高电子迁移率,制备了聚苯胺石墨烯复合物,该复合物的比电容达到1046F/g,远高于纯聚苯胺的比电容115F/g。
Xu等[25]制备了石墨烯-金属(Au、Pt、Pd)纳米复合物。
研究发现石墨烯-Pt复合材料可作为直接甲醇燃料电池的阳极催化剂。
黄毅等[32]通过溶液共混制备了石墨烯增强的聚氨酯复合材料和聚乙烯醇(PVA)复合材料。
研究发现:
在石墨烯含量为1%时,聚氨酯复合材料的强度提高75%,弹性模量提高120%;而添加0.7wt%的石墨烯,聚乙烯醇复合材料的拉伸强度就提高76%,弹性模量增加62%。
利用石墨烯复合薄膜材料制备了红外光诱导的驱动器,该器件具有优异的光驱动性能及循环稳定性。
杨波等[33]研究了石墨烯/苯丙乳液复合导电膜,研究发现:
石墨烯质量分数为5%时,能够均匀分散,复合导电膜的表面电阻率达到0.29Ω·cm;增加石墨烯用量,会产生团聚,表面电阻率略有升高;复合导电膜中添加少量纳米银颗粒,导电性提高2个数量级。
③石墨烯/无机物复合材料
张晓艳等[34]研究了TiO2/石墨烯复合材料的合成及光催化分解水制氢的活性。
研究发现:
石墨烯的引入有利于提高TiO2的光催化分解水制氢活性,在紫外-可见光照射下,TiO2/石墨烯复合光催化剂的光解水制氢活性是商业P25的光解水制氢活性的近两倍。
复合材料中的石墨烯可传导光照TiO2产生的电子,提高电子空穴对的分离效率,从而提高紫外-可见光下TiO2/石墨烯复合材料的光解水制氢活性。
Liang等[20]制备了石墨烯(15wt%)/环氧树脂的复合材料,其电磁屏蔽效应基本达到了商业应用要求。
郝亮等[35]研究了石墨烯/氢氧化镍复合材料,研究发现该复合物在放电状态下出现了一个放电平台,复合物具有较大的比电容,在0.25Ag-1的电流密度下,其比电容达到了1370Fg-1。
张焘等[36]制备了性能优异的NaNO3-LiNO3/石墨烯复合相变储能材料,并利用DSC,MDSC研究了石墨烯的添加对NaNO3-LiNO3相变热、峰值温度、导热系数等热物性的影响;研究发现石墨烯的添加使得混合盐的相变热略有减少,但相变峰值温度降低了
2.16℃,导热系数提高了268.8%。
吕维强[37]制备了不同负载量的石墨烯-纳米铜(银)复合材料,纳米铜(银)充当层间阻隔物。
研究发现:
负载纳米铜(银)后的石墨烯层间距变大,当铜负载量为39wt%,其比电容量达到最高值67.95mAh/g,储氢量为0.25%,储氢性能提高,但负载银的样品储氢性能下降。
汤正林[38]研究了SnO2-石墨烯复合负极材料。
柏大伟[39]利用水热法制备出石墨烯-Co(OH)2复合材料,并探索了其充放电机理,得到首次质量比容量为1519.8mAh/g、库伦效率70.3%,且具有良好循环稳定的锂离子电池负极材料。
王丽[40]研究了石墨烯/氧化亚锡纳米复合材料在锂离子电池负极材料上的应用,研究发现:
这种材料克服了石墨烯作为负极容量不够理想的问题和氧化亚锡纳米花作为负极容量衰减快的问题,可以作为一种高容量、衰减慢的高性能锂离子电池负极材料。
张琼等[41]研究了氧化钛/氧化石墨烯复合材料的光催化性能,发现采用该复合材料对甲基橙溶液进行紫外光催化降解时,其降解效率η=1.16mg·min-1·g-1,明显优于同等条件下P25粉的降解率η=0.51mg·min-2·g-1。
2.2石墨烯纳米材料的国内外研究比较分析
石墨烯纳米材料的研究起源于国外,美国、日本等国家研究较早,技术较成熟,而国内研究相对落后,是近几年才发展起来的,技术相对落后。
但最近几年,石墨烯纳米材料的研究在国内外都比较受重视。
但是国内外石墨烯纳米材料的研究领域不相同:
国外石墨烯纳米材料的研究主要分布在高分子物理学、材料科学及应用物理学等学科范围,国内石墨烯纳米材料的研究主要分布在材料科学、物理化学、纳米技术等学科范围。
同时,国内外对石墨烯纳米材料研究的主要方向不同:
国外的研究主要集中在石墨烯纳米材料的导电性、导热性、石墨烯的制备研究及纳米材料研究等方向,国内的研究主要集中在纳米材料、材料基础及应用研究等方向。
但不管国内外研究有何不同,我们都是在探索石墨烯纳米材料的各种特殊用途,期望研制出更多高效、经济、环保的用途。
三文献中石墨烯纳米材料的研究方案
3.1聚乳酸/纳米羟基磷灰石/氧化石墨烯(PLA/n-HA/GO)纳米复合膜的制备及生物性能研究[42]
3.1.1实验试剂
PLA颗粒,济南岱罡生物有限公司,黏均分子量26万;纳米羟基磷灰石,南京埃普瑞纳米材料有限公司,平均粒径20nm,纯度99%;高纯石墨粉(325目)用于制备氧化石墨烯;MC3T3-E1成骨细胞,上海细胞研究所;RPMI1640培养基,美国GIBCO公司;标准胎牛血清,杭州四季青;胰蛋白酶,Sigma公司;PBS液(配制);浓硫酸、高锰酸钾均为AR级。
3.1.2PLA/n-HA/GO纳米复合膜的制备
氧化石墨烯依据改性的Hummer法制备,用浓硫酸、高锰酸钾等作为氧化剂,在冰水浴中对高纯石墨粉进行氧化,再经洗涤干燥制得氧化石墨烯。
用N,N二甲基甲酰胺(DMF)及二氯甲烷(CHCl2)双溶剂体系(体积比为4:
6),在超声粉碎机的作用下制备PLA/HA/GO混合溶液(PLA与HA质量比为9:
1,GO所占PLA质量分数分别为1%、3%、5%)。
将一定量的PLA、PLA/n-HA、PLA/n-HA/GO混合铸膜液在洁净的硅片上浇铸成膜,待溶剂挥发完全后于60OC烘箱干燥24h,再真空干燥24h即得PLA/n-HA/GO纳米复合膜。
3.2石墨烯负载Pt催化剂的制备及催化氧还原性能[43]
3.2.1试剂和仪器
金属钠(重庆博艺化学试剂有限公司,分析纯);四氯乙烯(天津市光复精细化工研究所,分析纯);液体石蜡、丙酮、无水乙醇和乙二醇(重庆川东化工集团有限公司化学试剂厂,分析纯);氯铂酸(H2Pt-Cl6·6H2O,上海精细化工材料研究所,分析纯);40%Pt/C催化剂(美国Johnson-MattheyCorp);所有溶液均用新鲜的超纯水配制。
荷兰AutoLab公司AutoLab;日本岛津公XRD-6000X射线衍射仪;美国FEITecnaiG220S-TWIN型透射电子显微镜;北京普析仪器通用有限公司TU-190双光束紫外可见分光光度计。
3.2.2石墨烯负载Pt催化剂的制备
于三口瓶中加入2.0g钠,1.0mL四氯乙烯,50mL液态石蜡,搅拌均匀,在氮气氛围下,加热回2h,得到固体物质(Gr)。
分别用乙醇、丙酮和超纯水多次洗涤,100OC真空干燥,得到Gr18。
Pt/Gr催化剂的制备采用乙二醇回流还原法。
将40mgGr,50mL乙二醇,50mL浓度为1.2g·L-1的氯铂酸溶液,超声分散,氮气氛围110OC搅拌冷凝回3h。
将所得到的产物催化剂分别用无水乙醇和超纯水离心洗涤三次60O真空干燥24h。
3.3石墨烯的制备和改性及其聚合物复合的研究进展[44]
3.3.1石墨烯的制备
3.3.1.1机械剥离法
机械剥离法是利用机械力将石墨片层一层一层地进行剥离从而得到单层石墨烯的方法,如英国曼彻斯特大学的AndreK.Geim等利用一种特殊的胶带将石墨一层一层地进行剥离,由此首先发现了单层的石墨烯。
根据研究人员的分析,机械剥离法事以后石墨烯工业化生产的主要方法,在未来十年里将得到较大突破。
3.3.1.2化学氧化-还原法
石墨烯的化学制备是先将天然石墨氧化成氧化石墨,再把所得到的氧化石墨经过热处理或超声波处理得到单层氧化石墨胶体,利用联氨等强还原剂将其还原。
此法是现阶段制备石墨烯和改性石墨烯最成熟的方法,分为氧化石墨的制备和石墨烯的形成2个步骤。
(1)氧化石墨的制备
石墨被强氧化剂氧化后,氧原子进入到石墨层间,使层内的π键断裂,并以羰基、羧基、羟基和环氧基等官能团的形式与密实碳网面中的碳原子结合,形成共价键型石墨层间化合物,即氧化石墨。
氧化石墨的合成方法主要有Brodie法、Staudenmaier法、Hummer法以及电化学氧化法,其中Hummer法所得到的氧化石墨的氧化程度和纯度均较好,对环境污染小且安全性高,也是制备氧化石墨的常用方法。
傅玲等将Hummer法进行改良,成功地制备出高质量的氧化石墨,且其反应过程的安全性得到了进一步的提高。
Brodie法是先用发烟硝酸处理天然鳞片石墨,石墨被氧化的同时硝酸离子浸入石墨层间,反应一段时间后投入KClO4进一步氧化,随后将反应物投到大量水中进行过滤,水洗至滤液接近中性,干燥,得到最终产品氧化石墨。
Staudemaier法是用浓硫酸和发烟硝酸混合酸对石墨粉进行氧化预处理,再用KClO4进行深度氧化,所得到的氧化石墨碳层破坏严重,其端面可能也引入了大量羧基等含氧官能团。
电化学法是以Hg/Hg2SO4为电极,将石墨在强酸中进行电解氧化后投入水中,经过干燥得到氧化石墨。
(2)石墨烯的形成
氧化石墨中间的六圆环上带有环氧基和羟基,片层周围带有羧基和羰基,比天然石墨的层间距大,从0.34nm增加到0.6nm以上,因此弱化了层间的范德华力,为片层的剥离创造了有利前提。
氧化石墨经过大于2000OC/min的急剧升温到1050OC,其官能团在该环境下分解脱氧放出CO2和H2O,使氧化石墨片层受到破坏,被强制剥离成单层的氧化石墨。
在所得单层氧化石墨片层浆液中加入联氨进行还原,还原机理见下图。
与此法过程类似,SashaS等利用此法成功的制备出单层石墨烯,但由于片层氧化石墨中间的环氧基脱碳放出CO2造成了结构缺陷。
3.3.2制备聚合物基复合材料
由于石墨烯具有高强度、高电导率、高比表面积,用其对聚合物材料进行改性有望得到高性能的聚合物基复合材料,使复合材料具有高电导率、高强度、高热稳定性并具有一定的阻燃性,进一步扩大聚合物材料的应用范围。
先按照目标制备出表面改性的石墨烯,使其具有亲油或亲水性;再讲改性石墨烯与聚合物材料进行复合制备聚合物基/石墨烯复合材料。
改性后的石墨烯可以更好地分散于聚合物基体中。
此用途的石墨烯可取代价格昂贵的碳纳米管来填充聚合物,使聚合物基复合材料的性能及因公得到进一步提高。
3.4石墨烯/聚合物复合材料的研究进展[45]
3.4.1石墨烯的制备
石墨烯的制备方法主要有三大类:
(1)剥离石墨法,即以石墨为原料,采用不同层片剥离技术获得石墨烯,如机械剥离法、氧化还原法、液相剥离法、静电沉积法、淬火法。
(2)直接生长法,通过引入碳源在一定条件下合成石墨烯,如溶剂热法、有机自组装法、电弧放电法、晶体外延生长。
(3)碳纳米管转换法,将碳纳米管的管壁沿轴向“切开”,展平后得到石墨烯,此方法产率高,可批量获得尺寸可控、边缘
整齐的石墨烯纳米条带。
目前应用于制备聚合物纳米复合材料的石墨烯多采用氧化还原法制备:
先将石墨氧化形成氧化石墨(GO),然后通过超声分散进行剥离,得到氧化石墨烯,该氧化石墨烯失去了导电性,可通过还原剂还原最后得到石墨烯。
常用的还原剂有
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