石墨烯的组织性能、改性处理及应用前景
发布时间：2021-08-10 03:02
石墨烯因其独特的二维薄片状结构,展现出优异的电学、力学性能,成为材料研究的新热点,带给人们丰富的想象空间。本文从原理、技术特点和组织形貌等方面对比了各种石墨烯的制备技术,总结石墨烯微观结构的表征手段和技术,概括其主要性能。针对当前石墨烯使用的瓶颈问题,阐述了石墨烯非共价键和共价键的改性方法。综述了石墨烯在电池、储能、涂层、医学、传感器、添加剂等方面的应用。最后对石墨烯未来可能的发展方向进行了大胆的预测。
【文章来源】：功能材料. 2020,51(04)北大核心CSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
采用不同技术手段表征石墨烯组织结构的结果[8-13]
表2 石墨烯的各种制备方法、优缺点比较Table 3 Comparison of preparation methods, advantages and disadvantages of graphene 名称 基底材料 制备技术 特点 参考文献 机械剥离 石墨 在玻璃基底上用旋转涂布平铺一层1 mm厚的光刻胶,将石墨叠加在光刻胶层上,经过加热或烘烤,直到石墨粘附于玻璃层上,随后,使用胶带多次剥离石墨样品 制备简单、结构完整、电子质量高、耗时、产量低 [44] 外延生长 4H-SiC晶片 高温处理使硅(Si)升华(Si熔点= 1 100 ℃),剩余的C在SiC晶片上的碳晶面或硅晶片上形成石墨烯 可大规模生产,品质高温度要求高,成本高,不均匀,产量低 [45-46] 化学气相沉积(CVD) 碳氢化合物气体 分解碳氢化合物气体(如甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)、乙烯(C2H4)和正己烷(C6H14)等生物质材料,在金属催化剂上生长石墨烯片 可大规模生产,均匀,与电流兼容性好,成本高,工艺复杂,产量低 [47-48] 化学还原氧化石墨烯 石墨 用浓硫酸,硝酸钠和高锰酸钾的无水混合物等强氧化剂氧化处理石墨生成氧化石墨烯,然后用还原剂来还原氧化石墨 易扩展性、高产量、低成本、优良的可加工性、结构缺陷,石墨烯电子结构受到破坏 [49] 石墨烯模板合成 ZnS/GN带 ZnS带首先通过物理气相沉积(PVD)方法在硅衬底上制备,然后作为模板,为GN的生长提供了较大的表面积(ZnS/GN复合材料),最后,将复合纳米片浸泡在0.1 mol/L HCl中30 min,去除不需要的ZnS纳米片 制备工艺可控,可用于克级GN的生产模板的合成和去除需要较长的时间和复杂的过程。 [50] 液相剥离 石墨 将石墨暴露在具有表面张力的溶剂中,在超声波的帮助下,石墨分裂成单个的血小板,经过长时间的处理,可以得到很大比例的单层薄片,在悬浮液中,可通过离心进一步富集 直接、简单、良性、规模化生产、低成本、实用性耗时、不均匀 [51-52] 碳纳米管的分解 碳纳米管 高锰酸钾的溶液氧化作用硫酸或等离子蚀刻 直接、简单、大规模生产、低成本、品质高 [53] 石墨电弧放电 石墨 石墨棒浸没在气体或液体介质中,施加电流将介质解离,产生高达3 727～5 727 ℃的高温等离子体,使前驱体升华 一步合成法,成本低,易掺杂, 可大规模生产不均匀、纯度低 [54]3 石墨烯表面功能化
图3(a)为石墨烯非共价键改性示意图,石墨烯与各种有机物、聚合物或无机材料通过掺杂反应来实现石墨烯表面的功能化,其结果是石墨烯与目标材料之间经常产生诸如π-π相互作用或范德华力的弱相互作用,而不会改变石墨烯的物理性能和电子结构[55]。Xue等人[56]将金属Cu和Ni包覆在石墨烯表面,通过XPS光谱分析金属Cu、Ni和石墨烯之间存在范德华力相互作用(见图3c)。Wu等人[57]以二甲基甲酰胺(DMF)和甲醇(CH3OH)为溶剂,利用芳香族分子(1-比利牛斯丁酸琥珀酰亚胺酯,PBASE)对石墨烯进行表面功能化,利用拉曼光谱证明了石墨烯与PBASE存在π-π相互作用。图3(b)为石墨烯共价键改性示意图,无机元素或有机化合物表面的官能团分子与石墨烯表面的碳原子共价连接,然后将石墨烯的sp2杂化转化为sp3杂化[58-60]。Wei等人[61]利用CVD技术制备了氮掺杂的石墨烯,通过XPS光谱证明实现了氮原子和石墨烯表面碳原子的共价连接。Englert等人[62]同样通过XPS光谱证明了4-叔丁基苯重氮中的苯原子和碳原子共价连接实现了石墨烯的共价键改性。Hu等人[9]在N,N-二甲基甲酰胺介质中通过微波辐射成功制备了壳聚糖改性的石墨烯纳米片(见图3d),通过XPS光谱证明了壳聚糖通过酰胺键共价接枝到石墨烯纳米片的表面。4 石墨烯的应用
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯水性复合防腐涂料的研究进展[J]. 张艳,戴雷,黄友元,袁国辉. 表面技术. 2017(10)
[2]石墨烯导热高分子复合材料的制备、性能与机理[J]. 马良,陈楷炫,莫冬传,符远翔,吕树申. 化工学报. 2017(S1)
[3]石墨烯在金属防护中的应用与展望[J]. 付红丽,赵继鹏,方露,胡吉明. 表面技术. 2017(03)
[4]石墨烯和氧化石墨烯的表面功能化改性[J]. 黄国家,陈志刚,李茂东,杨波,辛明亮,李仕平,尹宗杰. 化学学报. 2016(10)
[5]氧化石墨烯:膜科学的机遇与挑战[J]. 李方,孟蝶. 膜科学与技术. 2015(06)
[6]面向应用的石墨烯制备研究进展[J]. 何大方,吴健,刘战剑,沈丽明,汪怀远,暴宁钟. 化工学报. 2015(08)
[7]我国石墨烯产业化的历史机遇[J]. 牛禄青. 新经济导刊. 2014(10)
[8]含氧化石墨烯混合基质反渗透复合膜的制备及性能研究[J]. 芦瑛,赵海洋,张林,侯立安. 中国工程科学. 2014(07)
[9]石墨烯的制备及其在金属防腐中的应用进展[J]. 何青,马爱斌,江静华,宋丹,陈建清,杨东辉,邹中秋,李玉华. 功能材料. 2013(S2)
[10]超级电容器用石墨烯极片的制备和性能[J]. 袁美蓉,赵方辉,刘伟强,朱永法,王臣. 功能材料. 2013(19)
本文编号：3333321
【文章来源】：功能材料. 2020,51(04)北大核心CSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
采用不同技术手段表征石墨烯组织结构的结果[8-13]
表2 石墨烯的各种制备方法、优缺点比较Table 3 Comparison of preparation methods, advantages and disadvantages of graphene 名称 基底材料 制备技术 特点 参考文献 机械剥离 石墨 在玻璃基底上用旋转涂布平铺一层1 mm厚的光刻胶,将石墨叠加在光刻胶层上,经过加热或烘烤,直到石墨粘附于玻璃层上,随后,使用胶带多次剥离石墨样品 制备简单、结构完整、电子质量高、耗时、产量低 [44] 外延生长 4H-SiC晶片 高温处理使硅(Si)升华(Si熔点= 1 100 ℃),剩余的C在SiC晶片上的碳晶面或硅晶片上形成石墨烯 可大规模生产,品质高温度要求高,成本高,不均匀,产量低 [45-46] 化学气相沉积(CVD) 碳氢化合物气体 分解碳氢化合物气体(如甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)、乙烯(C2H4)和正己烷(C6H14)等生物质材料,在金属催化剂上生长石墨烯片 可大规模生产,均匀,与电流兼容性好,成本高,工艺复杂,产量低 [47-48] 化学还原氧化石墨烯 石墨 用浓硫酸,硝酸钠和高锰酸钾的无水混合物等强氧化剂氧化处理石墨生成氧化石墨烯,然后用还原剂来还原氧化石墨 易扩展性、高产量、低成本、优良的可加工性、结构缺陷,石墨烯电子结构受到破坏 [49] 石墨烯模板合成 ZnS/GN带 ZnS带首先通过物理气相沉积(PVD)方法在硅衬底上制备,然后作为模板,为GN的生长提供了较大的表面积(ZnS/GN复合材料),最后,将复合纳米片浸泡在0.1 mol/L HCl中30 min,去除不需要的ZnS纳米片 制备工艺可控,可用于克级GN的生产模板的合成和去除需要较长的时间和复杂的过程。 [50] 液相剥离 石墨 将石墨暴露在具有表面张力的溶剂中,在超声波的帮助下,石墨分裂成单个的血小板,经过长时间的处理,可以得到很大比例的单层薄片,在悬浮液中,可通过离心进一步富集 直接、简单、良性、规模化生产、低成本、实用性耗时、不均匀 [51-52] 碳纳米管的分解 碳纳米管 高锰酸钾的溶液氧化作用硫酸或等离子蚀刻 直接、简单、大规模生产、低成本、品质高 [53] 石墨电弧放电 石墨 石墨棒浸没在气体或液体介质中,施加电流将介质解离,产生高达3 727～5 727 ℃的高温等离子体,使前驱体升华 一步合成法,成本低,易掺杂, 可大规模生产不均匀、纯度低 [54]3 石墨烯表面功能化
图3(a)为石墨烯非共价键改性示意图,石墨烯与各种有机物、聚合物或无机材料通过掺杂反应来实现石墨烯表面的功能化,其结果是石墨烯与目标材料之间经常产生诸如π-π相互作用或范德华力的弱相互作用,而不会改变石墨烯的物理性能和电子结构[55]。Xue等人[56]将金属Cu和Ni包覆在石墨烯表面,通过XPS光谱分析金属Cu、Ni和石墨烯之间存在范德华力相互作用(见图3c)。Wu等人[57]以二甲基甲酰胺(DMF)和甲醇(CH3OH)为溶剂,利用芳香族分子(1-比利牛斯丁酸琥珀酰亚胺酯,PBASE)对石墨烯进行表面功能化,利用拉曼光谱证明了石墨烯与PBASE存在π-π相互作用。图3(b)为石墨烯共价键改性示意图,无机元素或有机化合物表面的官能团分子与石墨烯表面的碳原子共价连接,然后将石墨烯的sp2杂化转化为sp3杂化[58-60]。Wei等人[61]利用CVD技术制备了氮掺杂的石墨烯,通过XPS光谱证明实现了氮原子和石墨烯表面碳原子的共价连接。Englert等人[62]同样通过XPS光谱证明了4-叔丁基苯重氮中的苯原子和碳原子共价连接实现了石墨烯的共价键改性。Hu等人[9]在N,N-二甲基甲酰胺介质中通过微波辐射成功制备了壳聚糖改性的石墨烯纳米片(见图3d),通过XPS光谱证明了壳聚糖通过酰胺键共价接枝到石墨烯纳米片的表面。4 石墨烯的应用
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯水性复合防腐涂料的研究进展[J]. 张艳,戴雷,黄友元,袁国辉. 表面技术. 2017(10)
[2]石墨烯导热高分子复合材料的制备、性能与机理[J]. 马良,陈楷炫,莫冬传,符远翔,吕树申. 化工学报. 2017(S1)
[3]石墨烯在金属防护中的应用与展望[J]. 付红丽,赵继鹏,方露,胡吉明. 表面技术. 2017(03)
[4]石墨烯和氧化石墨烯的表面功能化改性[J]. 黄国家,陈志刚,李茂东,杨波,辛明亮,李仕平,尹宗杰. 化学学报. 2016(10)
[5]氧化石墨烯:膜科学的机遇与挑战[J]. 李方,孟蝶. 膜科学与技术. 2015(06)
[6]面向应用的石墨烯制备研究进展[J]. 何大方,吴健,刘战剑,沈丽明,汪怀远,暴宁钟. 化工学报. 2015(08)
[7]我国石墨烯产业化的历史机遇[J]. 牛禄青. 新经济导刊. 2014(10)
[8]含氧化石墨烯混合基质反渗透复合膜的制备及性能研究[J]. 芦瑛,赵海洋,张林,侯立安. 中国工程科学. 2014(07)
[9]石墨烯的制备及其在金属防腐中的应用进展[J]. 何青,马爱斌,江静华,宋丹,陈建清,杨东辉,邹中秋,李玉华. 功能材料. 2013(S2)
[10]超级电容器用石墨烯极片的制备和性能[J]. 袁美蓉,赵方辉,刘伟强,朱永法,王臣. 功能材料. 2013(19)
本文编号：3333321
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