石墨烯及其复合材料的研究进展
2022-10-04
来源:星星旅游
第34卷第4期 2016年12月 DOI:10.13909 ̄.cnki.1009—1815.2016.04.013 胶体与聚合物 Chinese Journal of Colloid&Polymer Vo1.34 No.4 Dec.2016 石墨烯及其复合材料的研究进展 龚燕,潘海波 (福州大学化学化工学院,福州 350002) 摘要:近年来,石墨烯因其独特的结构和优异的性能而广泛应用于物理、化学及生物等领域。本文对石墨 烯的制备方法以及石墨烯复合材料进行了简要综述。 关键词:石墨烯;制备方法;复合材料 中图分类号:TB34 文献标识码:A 石墨烯自2004年被成功制备以来,因其独 特的结构和优异的性能,备受人们青睐。单原子 层石墨烯材料理论表面积可达2630 m2/g,半导体 本征迁移率高达2x105 cm2/(V・s),弹性模量高达 1TPa,热传导率可达5000 w/(m・K),透光率高达 97.7%。这些优异的性能使得石墨烯材料受到人 们越来越多的关注和研究[1_31。由于以上优异的材 料性能,石墨烯材料已经在电子、信息、能源、生 物医学等领域得到广泛的研究与应用,成为近年 来的研究热点 。本文主要对石墨烯的制备方法 以及石墨烯复合材料进行了简要综述。 l石墨烯的制备方法 1.1氧化还原法 氧化还原法是将天然鳞片石墨通过强氧化 剂氧化或其它氧化技术进行氧化,得到基本分子 结构为碳六边形且表面及边缘存在大量的羟基、 羧基、环氧等含氧基团的氧化石墨烯,再通过化 学还原的方法去除其分子结构上的含氧基团,最 后得到石墨烯薄层材料的方法M。目前常用于制 备氧化石墨烯的方法有Brodie法、Staudenmaier 法、Hummers法和其它一些在这些基础上改进的 方法[89,1。一去除氧化石墨烯的含氧基团主要通过一 些还原剂(如水合肼、硼氢化钠、柠檬酸钠、对二 苯酚等)[1o1,得到了还原氧化石墨烯,由于其表面 及边缘基本无含氧基团,因此它是一种类似石墨 烯的材料。Lee 】首先使用改进的Hummers制 备了氧化石墨烯,然后使用水合肼还原制备了还 原氧化石墨烯,并使用电化学脉冲将碱性溶液中 被还原的石墨烯薄片沉积在导电基底上。研究表 明,电化学还原法制得的石墨烯薄膜具有较好的 电性能,其电导率大于真空过滤方法制备的还原 文章编号:1009—1815(2016)04—186—03 氧化石墨烯薄层材料。 1.2化学气相沉积法 化学气相沉积法(CVD)是反应物在高温和气 态条件下发生化学反应,生成的固态物质沉积到 加热的基材表面,从而制得薄膜材料的工艺技术, CVD法已经广泛应用于石墨烯的制备。Li等Il2]率 先使用CVD方法在铜箔表面制得大面积和高质 量单层石墨烯,而且制得的石墨烯很容易从衬底 上分离并转移到其它衬底材料上。Reina ”】应用 一种非真空的CVD技术,在多晶Ni薄膜上制备 了大面积的石墨烯薄层材料。虽然CVD技术有 着各种工艺优点,但反应过程中会有杂质生成, 且对设备及外围设施依赖性较强,使石墨烯制备 成本偏高。 1.3外延生长法 外延生长法是Berger d]基于前人的研究所 发明的一种制备石墨烯薄层材料的方法。该方法 通过高温(>1300℃)加热大面积单晶SiC,在超 高真空和常压下脱除si而留下c,进而得到面积 与原有SiC薄片相当的石墨烯薄层。Aristov等【j_5] 使用立方体结构I3一SiC作为基底,同样制得了高 质量石墨烯薄层材料。外延生长法制备条件苛 刻,均要求在高温、高真空或者特定气氛及单晶 衬底等条件下才能进行,且制得的石墨烯不易从 衬底上分离出来,基本不能应用于大规模制备石 耀烯 收稿日期:2016~09.27 基金项目:福建省教育厅科研资助项H(K0201 11 作老简介:龚燕(1995一),本科生 E—mail:2649 1 09587@qq.corn 通讯作者:潘海波,教授,E—mail:hbpan@fzu.edu.cn 第4期 龚燕:石墨烯及其复合材料的研究进展 1 87 2石墨烯复合材料 2.1石墨烯/无机物复合材料 氧化石墨烯表面上发生聚合反应,制备了氧化石 石墨烯/无机物复合材料是无机纳米材料( 如金属纳米材料、半导体和绝缘纳米材料等)在 石墨烯纳米层表面形成石墨烯复合材脊斗【 61。石墨 烯与特定功能纳米粒子结合,使其在催化剂、光 学、电化学和生物等领域具有广泛的应用前景。Li 等It7]通过水热自组装法制备了石墨烯/金复合材 墨烯/聚苯胺接枝共聚物。研究表明,它比聚苯胺 具有更好的电化学性能。Xu等[2司在苯胺的酸性溶 液中以石墨烯为基体,在石墨烯表面上垂直生长 聚苯胺纳米纤维形成石墨烯/聚苯胺复合材料, 这种材料具有良好的协同作用,因此比电容和充 放电循环稳定性能都比单纯的石墨烯和聚苯胺 更优异。 料,这种复合材料在催化还原4一硝基苯胺具有很 高的活性。Perera等【l8】通过碱性水热法制备了石 墨烯/二氧化钛纳米管复合材料,研究表明,这种 复合材料具有比单纯二氧化钛纳米管更加优异 的光催化性能。Lin等【 9]制备石墨烯/GaN二极 管,他们发现这个材料可以用于紫外线和可见光 探测器。Paek等 制备出石墨烯/SnO 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,其比容量可以达到810 mAh・g--, 而纯SnO:的比容量仅为550 mAh・g ;石墨烯 /SnO 复合材料在循环3O次以后,比容量仍可保 持到570 mAh・g--,而纯SnO2的比容量在循环l5 次以后就会降到60 mAh・g~。 2.2石墨烯/聚合物复合材料 石墨烯/聚合物复合材料的制备主要采用物 共混法和化学接枝法【21J,制备的石墨烯/聚合物 复合材料具有很优异的催化、电学和光学性能。 Stankovich等[221将经过化学修饰的石墨烯以分子 尺度分散到聚合物中,制备了石墨烯/聚合物复 合材料。该复合材料具有较低的导电渗阈值,它 在体积分数为0.1%时下就可以导电。当石墨烯体 积分数为1%时,复合材料的电导率可达0.1 S/m。张亚楠等∞】采用溶液浇筑法制备了石墨烯 纳米带/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA/FGONR)复 合材料。研究表明,在PMMA/FGONR复合材料 中,当FGONR的质量分数为O.5%时,复合材料 的拉伸强度可达49.50 MPa,杨氏模量达到2.27 GPa。Ansari等[24]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 成型后得到石墨烯/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8型晶体;样品比纯聚偏二氟乙烯 的热稳定性要好。Li等㈣利用重氮化反应在氧化 石墨烯上接上苯胺,然后加入苯胺和过硫酸铵在 3结语 石墨烯材料因其独特的结构和优异的性能 而广泛应用于各个领域。近年来,研究者们致力 于尝试不同方法以求制备高质量、大面积石墨烯 材料,至今已取得了不错的进展,有望将产品工 业化。石墨烯复合材料在保持石墨烯特性的同 时,还兼具了优异的复合材料效应。但是也仍然 存在一些问题急需解决:石墨烯的边缘和表面仍 然含有一些官能团,它们对复合材料性能有一些 影响;目前石墨烯复合材料改性主要还是通过物 理共混的方式,这种方式制备的复合材料没有化 学接枝的稳定。随着人们对石墨烯复合材料的不 断研究和探索,我们相信石墨烯材料在不远的将 来将会出现在各个领域大规模应用。 参考文献 [1】张闵,尚小鹏,李静,等.石墨烯及其复合材料在电化学 领域的应用[J].胶体与聚合物,2012,30(4):187.190. 【2】Yang K,Feng L,Shi X,et a1.Nano—graphene in biomedicine:theranostic applications[J].Chem Soc Rev, 2013,42:530—547. 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