氧化石墨烯研究進(jìn)展

1、氧化石墨烯復(fù)合材料的研究進(jìn)展氧化石墨烯復(fù)合材料的研究進(jìn)展作者：鄧堯，黃肖容，鄔曉齡來(lái)源：本站瀏覽數(shù)：1674發(fā)布時(shí)間：2013747:55:500引言石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的唯一存在的二維自由態(tài)原子晶體，是構(gòu)筑零維富勒烯、一維碳納米管、三維石墨的基本結(jié)構(gòu)單元。它具有高電導(dǎo)、高熱導(dǎo)、高硬度和高強(qiáng)度等奇特的物理、化學(xué)性質(zhì)，在電子、信息、能源、材料和生物醫(yī)藥領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。但是石墨烯由于強(qiáng)大的范德華力具有疏水性和易團(tuán)聚的特點(diǎn)，限制了其廣泛應(yīng)用

2、。氧化石墨烯的出現(xiàn)正好解決了上述問(wèn)題，它是石墨烯的派生物，與石墨烯的結(jié)構(gòu)大體相同只是在一層碳原子構(gòu)成的二維空間無(wú)限延伸的基面上連接有大量含氧基團(tuán)，平面上含有OH和COC，而在其片層邊緣含有C＝O和COOH。與石墨烯相比，氧化石墨烯有更加優(yōu)異的性能，其不僅具有良好的潤(rùn)濕性能和表面活性，而且能被小分子或者聚合物插層后剝離，在改善材料的熱學(xué)、電學(xué)、力學(xué)等綜合性能方面發(fā)揮著非常重要的作用。有不少專家學(xué)者對(duì)氧化石墨烯的制備及應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，其

3、中氧化石墨烯復(fù)合材料的發(fā)展十分迅速，進(jìn)一步拓展了氧化石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域。1氧化石墨烯的制備目前，氧化石墨烯的制備工藝相對(duì)成熟，比較傳統(tǒng)的化學(xué)方法主要有Brodie法、Staudenmaier法、Hummers法，現(xiàn)今仍在沿用，只是在各方法基礎(chǔ)上做了略微改進(jìn)。這些方法的制備原理都是將石墨在強(qiáng)酸和少量強(qiáng)氧化劑的共同作用下形成1階的石墨層間化合物，然后此層間化合物在過(guò)量強(qiáng)氧化劑的作用下繼續(xù)發(fā)生深度液相氧化反應(yīng)，水解后得到氧化石墨，最后通過(guò)超聲或

4、者長(zhǎng)時(shí)間攪拌氧化石墨和水的混合物即可獲得氧化石墨烯，產(chǎn)物的氧化程度及合成T藝與反應(yīng)時(shí)間有關(guān)，可以通過(guò)C、O的原子比進(jìn)行衡量。Brodie法和Staudenmaier法氧化程度高，但反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生ClO2、NO2或者N2O4等有害氣體且反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，而Hummers法反應(yīng)時(shí)間短，無(wú)有毒氣體ClO2產(chǎn)生，安全性較高，因而成為制備氧化石墨烯普遍使用的方法。但是此反應(yīng)過(guò)程中需控制的工藝因素較多，過(guò)量的高錳酸離子會(huì)造成潛在的污染，因而需要用H2O

5、2進(jìn)行處理，并加以水洗和透析。近年來(lái)，也有不少學(xué)者在探索更好的制備方法。Matsuoy采用電化學(xué)方法將石墨在強(qiáng)酸中，以HgHg2SO4為電極電解氧化后投入水中，干燥后得到氧化了氧化石墨烯／殼聚糖納米復(fù)合材料，氧化石墨烯以分子尺度在殼聚糖基體中分散良好，并且彼此有相互作用。拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表昵，加入1％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氧化石墨烯，拉伸強(qiáng)度從401MPa提高到892MPa，楊氏模量由132GPa變?yōu)?17GPa。212復(fù)合材料的電化學(xué)性能單純的導(dǎo)電

6、聚合物在充放電循環(huán)中穩(wěn)定性差，使得其在電容器電極材料方面的應(yīng)用受到限制，開發(fā)具有優(yōu)異性能的復(fù)合材料成為電容器電極材料的突破口。目前，導(dǎo)電聚合物與氧化石墨烯的復(fù)合成為研究熱點(diǎn)，這是因?yàn)槭┖蛯?dǎo)電聚合物共軛結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電協(xié)同作用可增強(qiáng)基體導(dǎo)電性，同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)。SurajitKonwer等利用原位聚合法制備了氧化石墨烯聚吡咯(PPy)復(fù)合材料，聚吡咯的直流電導(dǎo)率從118S／cm猛增到75.8S／cm，通過(guò)恒流充放電分析，當(dāng)電流為2mA

7、、電壓為O～05V時(shí)，聚吡咯的比電容僅為2372Fg，而復(fù)合材料的比電容達(dá)到421.4Fg。高的電導(dǎo)率以及比電容使得此復(fù)合材料有望成為安全、高效的超級(jí)電容器電極材料。213復(fù)合材料的熱學(xué)性能氧化石墨烯加入到聚合物中可以提高聚合物的熱穩(wěn)定性。這可能是由于氧化石墨烯的含氧基團(tuán)與聚合物之間形成氫鍵或其他配位鍵，從而限制了聚合物的熱振動(dòng)。因而增大了聚合物鏈分解時(shí)所需要的能量，在一定程度上提高了復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性。王立娜等利用直接共混法制備出氧化

8、石墨烯酚醛樹脂納米復(fù)合材料，通過(guò)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行熱穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn)，低溫時(shí)復(fù)合材料與樹脂的熱重曲線基本吻合，但是隨著溫度的升高，與純樹脂相比，復(fù)合材料的熱失重開始出現(xiàn)滯后，并且在800℃時(shí)的殘?zhí)柯时燃儤渲?％。熱穩(wěn)定性以及殘?zhí)柯实奶岣呤沟梅尤渲鳛槟突鸩牧夏芨玫貞?yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。214復(fù)合材料的結(jié)晶性能聚合物的結(jié)晶過(guò)程直接影響到其加工性能，氧化石墨烯加入到聚合物中可以改善聚合物的結(jié)晶過(guò)程，在復(fù)合體系中起到成核劑的作用。WangHuish