石墨烯復(fù)合材料的制備、性能與應(yīng)用
摘要：納米科學(xué)技術(shù)是當(dāng)今社會(huì)科學(xué)中一個(gè)重要的研究話題。它是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要內(nèi)容，也是未來(lái)技術(shù)的主流。是基礎(chǔ)研究與應(yīng)用探索緊密聯(lián)系的新興高尖端科學(xué)技術(shù)。石墨烯具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等性能,自從2004年被成功制備出來(lái),一直是全世界范圍內(nèi)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。由于石墨烯具有巨大的表面體積比和獨(dú)特的高導(dǎo)電性等特性,石墨烯及其復(fù)合材料在電化學(xué)領(lǐng)域中有著誘人的應(yīng)用前景,因此,石墨烯材料的制備及其在電化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的研究是石墨烯材料研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。綜述了石墨烯與石墨烯復(fù)合材料的制備及其在超級(jí)電容器、鋰離子電池、太陽(yáng)能電池、燃料電池等電化學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的研究現(xiàn)狀,展望了石墨烯材料的制備及其在電化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的未來(lái)發(fā)展前景。
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關(guān)鍵詞;復(fù)合材料 納米材料 石墨烯
正文;
一，石墨烯復(fù)合材料的制備
石墨烯是2004年才被發(fā)現(xiàn)的一種新型二維平面復(fù)合材料，其特殊的單原子層決定了它具有豐富而新奇的物理性質(zhì)。研究表明，石墨烯具有優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)，力學(xué)性能及可加工性。
石墨烯復(fù)合材料的制備是石墨烯研究領(lǐng)域的一個(gè)重要的課題，如何簡(jiǎn)單，快速，綠色地制備其復(fù)合材料，而又
采用化學(xué)分散法大量制備氧化石墨烯,并采用直接共混法制備氧化石墨烯/酚醛樹脂納米復(fù)合材料。通過AFM、SEM、FT-IR、TG等對(duì)其進(jìn)行表征,結(jié)果表明,氧化石墨烯完全剝離,并在基體中分散均勻,而且兩者界面相容性好,提高了復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性。通過高溫?zé)崽幚硎箯?fù)合材料薄膜在兼顧形貌的同時(shí)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電,當(dāng)氧化石墨烯含量為2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),其導(dǎo)電率為96.23S/cm。
采用原位乳液聚合和化學(xué)還原法制備了石墨烯和聚丙乙烯的復(fù)合材料。研究表明PS微球通過公家方式連接到石墨烯的表面。通過PS微球修飾后的石墨烯在氯仿中變現(xiàn)良好的分散性。制備的復(fù)合材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，同時(shí)PS的玻璃化溫度的熱穩(wěn)定性得到了提高。本研究所提出的方法具有環(huán)境友好高效的特點(diǎn)，渴望被采用到其他聚合物和化合物來(lái)修飾石墨烯。
制備了石墨烯-硫化鋅納米球復(fù)合材料，該過程利用氧化石墨烯作為分散劑的生長(zhǎng)模板，同時(shí)作為石墨烯的前驅(qū)體，醋酸作為鋅源，硫代乙酰胺作為硫源和還原劑，采用微波輔助的方法再水介質(zhì)中制備得到復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)該納米材料對(duì)甲基藍(lán)呈現(xiàn)特異的光催化活性。
采用原位分散聚合和化學(xué)還原法制備了石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酸的復(fù)合材料。
以石墨烯和有機(jī)硅烷為反應(yīng)物,所述有機(jī)硅烷發(fā)生水解反應(yīng)后與石墨烯上的羥基發(fā)生脫水縮合反應(yīng),得到有機(jī)硅烷改性的石墨烯。與現(xiàn)有技術(shù)相比,所述有機(jī)硅烷改性的石墨烯加大了石墨烯的層間距,因此,有機(jī)硅烷修飾的石墨烯與聚合物混合時(shí),有機(jī)硅烷修飾的石墨烯不易團(tuán)聚,從而使有機(jī)硅烷改性的石墨烯均勻分散在聚合物基體中
制備的石墨烯復(fù)合材料具有增強(qiáng)效果。此外,所述有機(jī)硅烷改性的石墨烯與聚合物發(fā)生化學(xué)鍵合或分子間作用力,從而使制備的石墨烯復(fù)合材料具有優(yōu)異的界面相容性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本發(fā)明制備的石墨烯復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能。
二，石墨烯復(fù)合材料的性能
超級(jí)電容器是一種性能介于傳統(tǒng)電容器和化學(xué)電池之間的新型儲(chǔ)能元件,具有比傳統(tǒng)電容器更高的能量密度及比普通電池更高的功率密度和更長(zhǎng)的循環(huán)壽命。目前,對(duì)超級(jí)電容器的研究主要集中在高性能的電極材料的制備上。本文制備了納米結(jié)構(gòu)的石墨烯以及石墨烯/氫氧化鎳復(fù)合材料,研究了他們的制備工藝和電化學(xué)性能,并通過并用傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜、X射線衍射、X射線光電子能譜、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、比表面積、循環(huán)伏安、交流阻抗、恒電流充放電分析等對(duì)其進(jìn)行了表征。 利用hummers制備了氧化石墨,研究了于氮?dú)鈿夥罩胁煌姆磻?yīng)溫度對(duì)石墨烯的結(jié)構(gòu)和性能的影響。測(cè)試表明反應(yīng)溫度為400
℃時(shí)的產(chǎn)物具有較好的形貌,在10mA·cm~(-2)放電電流密度下,其比電容達(dá)到了187.92 F·g~(-1),充放電循環(huán)1000次之后仍能保持在173.16F·g~(-1),與氧化石墨相比,石墨烯的比容量有了較大的提高。 利用熱膨脹法在空氣氣氛中制備得到了單層和多層石墨烯材料,測(cè)試表明空氣氣氛下熱膨脹得到的石墨烯的含氧量低于惰氣氣氛下熱還原得到的石墨烯,空氣氣氛下制備的石墨烯的電化學(xué)性能明顯優(yōu)于氮?dú)鈿夥障轮苽涞氖┎牧?br />
以天然鱗片石墨為原料通過氧化還原法制備了單層,厚度為1 nm的二維碳納米材料石墨烯,并在此基礎(chǔ)上制備了具有高強(qiáng)度二維導(dǎo)電和耐熱性的石墨烯/環(huán)氧樹脂納米復(fù)合材料,分析并研究了石墨烯對(duì)于環(huán)氧樹脂復(fù)合體的電學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)等多方面性能的改善效果。 通過化學(xué)氧化和物理超聲作用獲得了單層氧化石墨烯,片層厚度為1 nm。傅里葉紅外光譜和X射線衍射證明含氧基團(tuán)的引入大大增加了石墨的層間距離,導(dǎo)致石墨片層剝離,形成單片層結(jié)構(gòu);透射電子顯微鏡和原子力顯微鏡的照片顯示氧化還原法獲得了單層結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯。紫外-可見光吸收光譜、拉曼光譜和熱失重分析結(jié)果表明通過水合肼能夠部分還原氧化石墨烯中的含氧基團(tuán),同時(shí)利用真空中熱還原,能進(jìn)一步恢復(fù)石墨烯的表面結(jié)構(gòu),提高其共軛程度,使其電導(dǎo)率和耐熱性得到了較大的提升,同時(shí)表面疏水性增強(qiáng),水合肼部分還原的石墨烯比進(jìn)一步熱還原的石墨烯具有更好的親水性。將兩種還原法制備的石墨烯分別用偶聯(lián)劑進(jìn)行改性,并作為納米填料添加到環(huán)氧樹脂中,獲得功能化處理的石墨烯/環(huán)氧樹脂納米復(fù)合材料。
石墨烯基納米阻隔復(fù)合材料,是以二維納米材料石墨烯片為增強(qiáng)劑,通過化學(xué)交聯(lián)均勻分散在聚烯烴聚合物材料中,形成具有優(yōu)良阻隔和力學(xué)性能的復(fù)合材料。其制備方法包括：一,用偶聯(lián)劑對(duì)氧化石墨烯的表面進(jìn)行功能化修飾,使其表面接枝上活性官能團(tuán),然后再將修飾之后的氧化石墨烯還原成石墨烯。二,將經(jīng)修飾的石墨烯均勻分散到聚烯烴溶液中,在引發(fā)劑的作用下交聯(lián)鍵合得到納米復(fù)合材料。本發(fā)明原料成本低廉易得、操作容易、工藝簡(jiǎn)單、重現(xiàn)性好,石墨烯能夠在聚烯烴中很好分散,制得的石墨烯基納米復(fù)合材料不僅對(duì)極性和非極性溶劑都具有優(yōu)異的阻隔性能,而且其拉伸強(qiáng)度和斷裂韌性得到明顯改善。
三，石墨烯復(fù)合材料的應(yīng)用
石墨烯是從石墨材料中剝離出來(lái)、由碳原子組成的二維晶體，只有一層碳原子的厚度，是迄今*薄也*堅(jiān)硬的材料，其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能超強(qiáng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過硅和其他傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料。很多人認(rèn)為，石墨烯可能取代硅成為未來(lái)的電子元件材料，在超級(jí)計(jì)算機(jī)、觸摸屏和光子傳感器等多個(gè)領(lǐng)域“大顯身手”。張躍剛和同事此前的研究也都專注于石墨烯在電子設(shè)備上的應(yīng)用。
在*新研究中，該研究團(tuán)隊(duì)將石墨烯和錫交替層疊制造出了這種納米復(fù)合材料。他們將一層錫薄膜沉積在石墨烯上，接著在錫薄膜上方放置另一層石墨烯，然后不斷重復(fù)這個(gè)過程制造出了這種復(fù)合材料。他們還對(duì)材料進(jìn)行了熱處理，通過在一個(gè)充滿氫氣和氬氣的環(huán)境中將其加熱到300攝氏度，錫薄膜轉(zhuǎn)變成很多柱子，增加了錫層的高度。
石墨烯以其獨(dú)特的電學(xué)、機(jī)械學(xué)及熱學(xué)性質(zhì),開創(chuàng)了廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域,吸引了越來(lái)越多的關(guān)注。通過對(duì)石墨烯進(jìn)行功能化改性,制備出修飾后的石墨烯納米材料,可*大程度上保留石墨烯本征屬性,并通過功能化引入其它一些有意義的特性。深入研究將獲得一系列性能更為優(yōu)異的新型石墨烯功能材料,并從科學(xué)及技術(shù)上為實(shí)現(xiàn)該類材料的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 本研究就如何實(shí)現(xiàn)石墨烯功能化,實(shí)現(xiàn)何種形式功能化,功能化后的石墨烯納米復(fù)合材料在電學(xué)及催化等領(lǐng)域中的應(yīng)用等方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡釋,并重點(diǎn)圍繞石墨烯功能化材料的便捷、高效制備及功能化石墨烯材料在電學(xué)及催化等領(lǐng)域中的應(yīng)用等兩方面開展了詳細(xì)研究: 1.功能化石墨烯納米材料的便捷、高效制備 我們通過一步法便捷制備了鍺納米顆粒/石墨烯納米復(fù)合材料,也通過溫和的乙二醇還原法成功制備了鈀納米顆粒/殼聚糖修飾的石墨烯納米復(fù)合材料,還設(shè)計(jì)制備了鈀納米顆粒/石墨烯氧化物納米復(fù)合材料及具有生物相容性及超大比表面的的三維石墨烯介孔材料等。此外,我們?cè)谖⒉ㄝo助條件下,直接從石墨出發(fā),高效剝離出大尺寸石墨烯(尺寸可達(dá)4微米),且*大程度保留石墨烯本征性質(zhì)
新納米復(fù)合材料中石墨烯層之間的高度變化會(huì)對(duì)電池的電化學(xué)循環(huán)有所改善，錫高度的變化會(huì)改進(jìn)電極的性能。另外，這種適應(yīng)性也意味著電池能被快速地充電，而且重復(fù)充放電也不會(huì)降低其性能，這對(duì)電動(dòng)汽車內(nèi)的可充電電池來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵
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The Preparation And Applications Of Graphene Hybrid Material
name:zhongshengliang student number:5602209104 class:shenggong092
Abstract：Graphene had been successfully produced in 2004. This type of new material has been paying great attention due to its unique physical, chemical, and mechanics properties. In this thesis, graphene were synthesized by the chemical reduction and thermal exfoliation of graphite oxide, respectively. In addition, graphene oxide/amorphous carbon, FGS300/FDU15, FGS300/RuO_2·xH_2O composites are prepared by the blending and self-assembly method. The obtained samples were characterized by XRD, SEM, TEM, N2 adso... Since the graphene was successfully prepared in 2004,it has been one of the researching hotspots for the science and technology all over the world.It has been confirmed that graphene has unique structure and excellent properties in electricity,calorifics,mechanics,and otherwise.Because of the properties of huge surface-to-volume ratio and unique high-conductivity of graphene,graphene and graphene-based composites hold great promising for potential applications in the electrochemistry field.And so,the resear...
Key word: gangplow plumbaginous Naziism
