石墨烯复合材料的制备、性能与应用

石墨烯复合材料的制备、性能与应用

摘要：纳米科学技术是当今社会科学中一个重要的研究话题。它是现代科学技术的重要内容，也是未来技术的主流。是基础研究与应用探索紧密联系的新兴高尖端科学技术。石墨烯具有独特的结构和优异的电学、热学、力学等性能,自从2004年被成功制备出来,一直是全世界范围内的一个研究热点。由于石墨烯具有巨大的表面体积比和独特的高导电性等特性,石墨烯及其复合材料在电化学领域中有着诱人的应用前景,因此,石墨烯材料的制备及其在电化学领域应用的研究是石墨烯材料研究的一个重要领域。综述了石墨烯与石墨烯复合材料的制备及其在超级电容器、锂离子电池、太阳能电池、燃料电池等电化学领域中应用的研究现状,展望了石墨烯材料的制备及其在电化学领域应用的未来发展前景。

关键词;复合材料纳米材料石墨烯

正文;

一，石墨烯复合材料的制备

石墨烯是2004年才被发现的一种新型二维平面复合材料，其特殊的单原子层决定了它具有丰富而新奇的物理性质。研究表明，石墨烯具有优良的电学性质，力学性能及可加工性。

石墨烯复合材料的制备是石墨烯研究领域的一个重要的课题，如何简单，快速，绿色地制备其复合材料，而又

采用化学分散法大量制备氧化石墨烯,并采用直接共混法制备氧化石墨烯/酚醛树脂纳米复合材料。通过AFM、SEM、FT-IR、TG等对其进行表征,结果表明,氧化石墨烯完全剥离,并在基体中分散均匀,而且两者界面相容性好,提高了复合材料的热稳定性。通过高温热处理使复合材料薄膜在兼顾形貌的同时实现导电,当氧化石墨烯含量为2%(质量分数)时,其导电率为96.23S/cm。

采用原位乳液聚合和化学还原法制备了石墨烯和聚丙乙烯的复合材料。研究表明PS微球通过公家方式连接到石墨烯的表面。通过PS微球修饰后的石墨烯在氯仿中变现良好的分散性。制备的复合材料具有优良的导电性，同时PS的玻璃化温度的热稳定性得到了提高。本研究所提出的方法具有环境友好高效的特点，渴望被采用到其他聚合物和化合物来修饰石墨烯。

制备了石墨烯-硫化锌纳米球复合材料，该过程利用氧化石墨烯作为分散剂的生长模板，同时作为石墨烯的前驱体，醋酸作为锌源，硫代乙酰胺作为硫源和还原剂，采用微波辅助的方法再水介质中制备得到复合材料。研究发现该纳米材料对甲基蓝呈现特异的光催化活性。

采用原位分散聚合和化学还原法制备了石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酸的复合材料。

以石墨烯和有机硅烷为反应物,所述有机硅烷发生水解反应后与石墨烯上的羟基发生脱水缩合反应,得到有机硅烷改性的石墨烯。与现有技术相比,所述有机硅烷改性的石墨烯加大了石墨烯的层间距,因此,有机硅烷修饰的石墨烯与聚合物混合时,有机硅烷修饰的石墨烯不易团聚,从而使有机硅烷改性的石墨烯均匀分散在聚合物基体中制备的石墨烯复合材料具有增强效果。此外,所述有机硅烷改性的石墨烯与聚合物发生化学键合或分子间作用力,从而使制备的石墨烯复合材料具有优异的界面相容性。实验结果表明,本发明制备的石墨烯复合材料具有良好的力学性能。

二，石墨烯复合材料的性能

超级电容器是一种性能介于传统电容器和化学电池之间的新型储能元件,具有比传统电容器更高的能量密度及比普通电池更高的功率密度和更长的循环寿命。目前,对超级电容器的研究主要集中在高性能的电极材料的制备上。本文制备了纳米结构的石墨烯以及石墨烯/氢氧化镍复合材料,研究了他们的制备工艺和电化学性能,并通过并用傅立叶转换红外光谱、X射线衍射、X射线光电子能谱、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、比表面积、循环伏安、交流阻抗、恒电流充放电分析等对其进行了表征。利用hummers制备了氧化石墨,研究了于氮气气氛中不同的反应温度对石墨烯的结构和性能的影响。测试表明反应温度为400℃时的产物具有较好的形貌,在10mA·cm~(-2)放电电流密度下,其比电容达到了187.92 F·g~(-1),充放电循环1000次之后仍能保持在173.16F·g~(-1),与氧化石墨相比,石墨烯的比容量有了较大的提高。利用热膨胀法在空气气氛中制备得到了单层和多层石墨烯材料,测试表明空气气氛下热膨胀得到的石墨烯的含氧量低于惰气气氛下热还原得到的石墨烯,空气气氛下制备的石墨烯的电化学性能明显优于氮气气氛下制备的石墨烯材料

以天然鳞片石墨为原料通过氧化还原法制备了单层,厚度为1 nm的二维碳纳米材料石墨烯,并在此基础上制备了具有高强度二维导电和耐热性的石墨烯/环氧树脂

纳米复合材料,分析并研究了石墨烯对于环氧树脂复合体的电学、力学和热学等多方面性能的改善效果。通过化学氧化和物理超声作用获得了单层氧化石墨烯,片层厚度为1 nm。傅里叶红外光谱和X射线衍射证明含氧基团的引入大大增加了石墨的层间距离,导致石墨片层剥离,形成单片层结构;透射电子显微镜和原子力显微镜的照片显示氧化还原法获得了单层结构的氧化石墨烯。紫外-可见光吸收光谱、拉曼光谱和热失重分析结果表明通过水合肼能够部分还原氧化石墨烯中的含氧基团,同时利用真空中热还原,能进一步恢复石墨烯的表面结构,提高其共轭程度,使其电导率和耐热性得到了较大的提升,同时表面疏水性增强,水合肼部分还原的石墨烯比进一步热还原的石墨烯具有更好的亲水性。将两种还原法制备的石墨烯分别用偶联剂进行改性,并作为纳米填料添加到环氧树脂中,获得功能化处理的石墨烯/环氧树脂纳米复合材料。

石墨烯基纳米阻隔复合材料,是以二维纳米材料石墨烯片为增强剂,通过化学交联均匀分散在聚烯烃聚合物材料中,形成具有优良阻隔和力学性能的复合材料。其制备方法包括：一,用偶联剂对氧化石墨烯的表面进行功能化修饰,使其表面接枝上活性官能团,然后再将修饰之后的氧化石墨烯还原成石墨烯。二,将经修饰的石墨烯均匀分散到聚烯烃溶液中,在引发剂的作用下交联键合得到纳米复合材料。本发明原料成本低廉易得、操作容易、工艺简单、重现性好,石墨烯能够在聚烯烃中很好分散,制得的石墨烯基纳米复合材料不仅对极性和非极性溶剂都具有优异的阻隔性能,而且其拉伸强度和断裂韧性得到明显改善。

三，石墨烯复合材料的应用

石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的二维晶体，只有一层碳原子的厚度，是迄今最薄也最坚硬的材料，其导电、导热性能超强，远远超过硅和其他传统的半导体材料。很多人认为，石墨烯可能取代硅成为未来的电子元件材料，在超级计算机、触摸屏和光子传感器等多个领域“大显身手”。张跃刚和同事此前的研究也都专注于石墨烯在电子设备上的应用。

在最新研究中，该研究团队将石墨烯和锡交替层叠制造出了这种纳米复合材料。他们将一层锡薄膜沉积在石墨烯上，接着在锡薄膜上方放置另一层石墨烯，然后不断重复这个过程制造出了这种复合材料。他们还对材料进行了热处理，通