POSS改性石墨烯的制备及表征(三等奖)

POSS改性石墨烯的制备及表征

摘要：石墨烯是一种新兴的无机二维片层碳纳米材料，自2004年横空出世后，就以其独特的结构、电学、热学、力学和光学性能等一系列综合性能吸引广大科研工作者的广泛关注，从而迅速成为物理化学和材料学等领域的研究热点。但是由于石墨烯的表面缺少一些可以与其他有机物质的反应的官能团，加之自身的物理性质，其在有机溶剂中分散很困难，从而限制了石墨烯在很多领域的应用。近些年来，有不少关于对石墨烯或者氧化石墨烯改性或者功能化的报道，得到了应用性很高的改性石墨烯材料。但是，石墨烯在有机聚合物中的分散性仍然需要做进一步的提高，如功能化分散性的提高等等。本文针对这一问题，通过对自制氧化石墨烯进行一系列的处理，在石墨烯上接上一种异辛基的POSS（笼型倍半硅氧烷），并通过红外（IR），X-射线衍射扫描(XRD)，高分辨电镜（HRTEM），原子力显微镜（AFM）对最后的产物进行表征。改性后的石墨烯由于接上了带有烷基链的POSS，提高了石墨烯在聚合物中的分散性，从而使石墨烯与聚合物形成的复合材料具有优异的性能

关键词：石墨烯改性分散性功能化

第一章：绪论

1.1前言

当今世界科学技术日新月异，人们的生活丰富多彩，为了寻求更加舒适的生活方式，人们对材料到的要求也越来越高。传统意义上单一种类的材料已经很难满足人们的使用要求，多种材料之间通过一定的加工方式形成的复合材料，以其优异的物理化学性能成为各大研究领域的热点。近年来石墨烯作为一种新兴的材料，密度小、强度大、刚度好、高导电等特性成为广大科研工作者争相研究的对象。

碳材料是地球上最普遍也是最奇妙的一种材料，它可以形成世界上最硬的金刚石，也可以形成最软的石墨。近20 年来，碳纳米材料一直是科技创新的前沿领域，1985 年发现的富勒烯和1991 年发现的碳纳米管均引起了巨大的研究热潮。2004年，英国科学家发现了由碳原子以sp2 杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体-石墨烯(Graphene)，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环(图1)，是目前最理想的二维纳米材料。石墨烯的发现，充实了碳材料家族，形成了从零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系，为新材料和凝聚态物理等领域提供了新的增长点。

石墨层间化合物是近几年来新涌出的一种分子水平上的纳米复合材料，至今，利用石墨来制备石墨插层复合材料已有不少研究。但是由于石墨本身不亲水不亲油以及无电荷的性质使其不能像层状的蒙脱土一样能通过层间的离子交换反应来实现单体的插层，因此通常对石墨进行一系列的处理，使其层间距增大。常用的方法是将石墨进行氧化得到氧化石墨后再超声处理得到氧化石墨烯，然后再对氧化石墨烯进行官能化处理，提高氧化石墨烯的使用性能。

近些年来，关于对氧化石墨烯的官能化研究已有相当多的报道。由于制备氧化石墨过程中的在石墨边缘和片层中间产生的缺陷（氧化时石墨六元环结构遭到一定程度的破坏产生了一定数量的-COOH、-OH和环氧基团），利用这些缺陷对氧化石墨进行改性，将氧化石墨接上不同的有机物质，提高氧化石墨的使用性，提升氧化石墨烯在与其他聚合物符合形成复合材料时的一些性能。通过对氧化石墨烯进行处理使其与单氨基的笼型倍半硅氧烷（poss,其他的R基团为异辛基）反应，这样反应后得到改性石墨烯在有机物质中有很好的分散性，在于聚合物形成复合材料时也有很好的相容性。

1.2石墨烯简介

1.2.1发现

斯哥尔摩2010年10月5日电瑞典皇家科学院5日宣布，将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈·K·海姆和康斯坦丁·沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。

2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K. Geim)等利用胶带法

制备出了石墨烯。一问世，就受到广泛关注，对石墨烯的研究也越来越深入，石墨烯独特的碳二维结构，优越的性能，广泛的应用前景更是吸引了全世界科学家的目光。

1.2.2石墨烯的结构

石墨是三维（或立体）的层状结构，石墨晶体中层与层之间相隔340pm，距离较大，是以范德华力结合起来的，即层与层之间属于分子晶体。但是，由于同一平面层上的碳原子间结合很强，极难破坏，所以石墨的溶点也很高，化学性质也稳定，其中一层就是石墨烯。石墨烯是由单层碳原子组成的六方蜂巢状二维结构，即石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维结构。

理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。

不仅如此，石墨烯还可以看作是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。如图：

图（1）石墨可以看成是多层石墨烯片堆垛而成，碳纳米管可以看作是卷成圆筒状的石墨烯。当石墨烯的晶格中存在五元环的晶格时，石墨烯片会发生翘曲,

富勒球可以便看成通过多个六元环和五元环按照适当顺序排列得到的。

1.2.3石墨烯的特性

1，电学特性

石墨烯具有无与伦比的高电子迁移率。最先分离出石墨烯，来自曼彻斯特的小组测量了他们分离出的单层石墨烯分子的电子迁移率，发现电荷在石墨烯中的迁移速率达到10000cm2/vs，这个测量结果还是在未除去杂质与衬底，保持室温的条件下进行。相比之下，现代晶体管的主要材料硅的电子迁移率不过1400

cm2/vs。当然，这个数据记录并没有保持多久，在2008年，由Geim和他同事领导的小组声称电子在石墨烯中迁移速率可以到达前所未有的200000 cm2/vs。而不久之后，来自哥伦比亚大学的Kirill Bolotin将这个数值提高到250000 cm2/vs，超过硅100倍以上。石墨烯在电子迁移率上另一个优异性质是它的迁移率大小几乎不随温度变化而变化。电子迁移率之所以受温度影响，是因为电子在传递过程中受晶体晶格震动的散射作用，导致电子迁移率降低，而晶格震动的强度与温度成正比。即温度越高，电子迁移率越低。然而石墨烯的晶格震动对电子散射很少，几乎不受温度变化影响，马里兰大学的研究人员在50K和500K之间测量了单层石墨烯的电子迁移率，发现无论温度如何变化，电子迁移率大约都是15000 cm2/vs。

石墨烯的超强导电性与它特殊的量子隧道效应有关。量子隧道效应允许相对论的粒子有一定概率穿越比自身能量高的势垒。而在石墨烯中，量子隧道效应被发挥到极致，科学家们在石墨烯晶体上施加一个电压（相当于一个势垒），然后测定石墨烯的电导率。一般认为，增加了额外的势垒，部分电子不能越过势垒，使得电导率下降。但事实并非如此，所有的粒子都发生了量子隧道效应，通过率达100%。这是石墨烯极高载流速率的来源。

2，力学性质

石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变

形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。美国哥伦比