超臨界CO2條件下芘基聚合物液相剝離和分散石墨烯的分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、石墨烯憑借超薄的二維特性、優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械和化學(xué)性能，成為備受關(guān)注的碳納米材料之一，在許多領(lǐng)域都擁有廣泛的應(yīng)用。但是困擾它們應(yīng)用的一個(gè)障礙就是他們的剝離、分散和在溶液中穩(wěn)定存在的問(wèn)題。液相剝離法憑借其簡(jiǎn)單、高效及可制備高質(zhì)量石墨烯等優(yōu)勢(shì)成為制備石墨烯的重要途徑。超臨界 CO2憑借其高的擴(kuò)散系數(shù)、低的表面張力和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被用于石墨烯的制備。此外對(duì)石墨烯進(jìn)行功能化是提高石墨烯分散性和穩(wěn)定性的有效辦法，而芘基聚合物借助其

2、與石墨烯的π-π相互作用對(duì)石墨烯進(jìn)行非共價(jià)修飾被科學(xué)家們關(guān)注。雖然實(shí)驗(yàn)方法證明在超臨界 CO2環(huán)境中，芘基聚合物在有機(jī)溶劑中可以將固體石墨剝離為少層甚至單層石墨烯，由于其局限性，但很難給出分子水平上的具體而細(xì)致的描述。因此本文利用模擬的手段，在分子尺度上考察在超臨界 CO2流體的輔助下，在有機(jī)溶劑對(duì)二甲苯環(huán)境中，利用芘基聚合物剝離石墨烯過(guò)程中各組分的作用。我們的研究?jī)?nèi)容包括以下兩個(gè)方面：
　　首先，我們用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究超臨

3、界 CO2的濃度以及體系的壓強(qiáng)對(duì)石墨烯剝離的影響；并選擇雙層石墨烯片層間距作為體系變量，集中考察超臨界 CO2和溶劑分子在石墨烯剝離分散過(guò)程中的具體作用。研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯的剝離和分散是超臨界 CO2和溶劑分子協(xié)同效應(yīng)的結(jié)果，兩者相輔相成，缺一不可，共同實(shí)現(xiàn)石墨烯的剝離和分散。當(dāng)超臨界 CO2和對(duì)二甲苯溶劑分子的摩爾比不低于2.5時(shí)，才能達(dá)到剝離分散石墨烯的效果。在剝離過(guò)程中超臨界CO2發(fā)揮“楔子”的作用，在較小片層間距時(shí)，CO2能夠像潤(rùn)

4、滑劑一樣先進(jìn)入片層之間，為溶劑分子的進(jìn)入提供了契機(jī)；在超臨界 CO2的幫助下，溶劑分子進(jìn)入片層中間形成層狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)增大兩片石墨烯片層之間的間距，減弱了石墨烯片層之間的結(jié)合能，為兩片層的剝離分散奠定了基礎(chǔ)。
　　其次，我們用分子動(dòng)力學(xué)方法研究芘基聚合物在不同石墨烯片層初始間距下發(fā)揮的作用，并用拉伸分子動(dòng)力學(xué)量化計(jì)算在石墨烯片層初始間距比較小的情況下芘基聚合物在剝離中的貢獻(xiàn)。并且構(gòu)建“溶劑/芘基聚合物/多層石墨烯”模擬體系，考察芘基