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石墨烯的制备与改性方法

来源:未知 作者:海恒科研仪器 发布时间:2021-10-02 次浏览

石墨烯的应用过程中存在着一个问题,即在石墨烯的分散过程中,由于完整结构的石墨烯由含稳定键的苯六元环组成,化学稳定性高,表面呈惰性状态,与其他介质相互作用较弱,且石墨烯各...

    石墨烯是碳原子在二维空间紧密排列成的苯环状结构材料,它是继零维足球烯、一维碳纳米管及三维石墨和金刚石外一种新的碳的同素异形体。其包裹起来可形成零维足球烯,卷起来可形成一维碳纳米管,堆叠则可形成三维石墨。
    石墨烯具有特殊的结构和奇异的物理性质,其独特的晶体结构及电子结构,使石墨烯具有优异的电学、磁学、热学及力学性能,在高性能纳米电子器件、复合材料、场发射材料、传感器、透明电极及能量存储等领域具有巨大的应用潜力。
    为了更好地利用石墨烯的这些特性,使其获得更加广泛的应用,首先需要提高其加工性能,如溶解性和在基体中的分散性;其次需要有方向地改变、控制及调节其结构和电子性能。
1表面改性
    在石墨烯的应用过程中存在着一个问题,即在石墨烯的分散过程中,由于完整结构的石墨烯由含稳定键的苯六元环组成,化学稳定性高,表面呈惰性状态,与其他介质相互作用较弱,且石墨烯各片层间存在很强的分子间作用力,导致片层极易堆叠在一起而难以分散开来,很难溶解于溶剂中,更难与其他有机或无机材料均匀地复合。这给石墨烯的进一步研究和应用造成了极大的困难,因而改善石墨烯分散性及其与各种溶剂和材料的相容性成为扩展石墨烯应用领域亟待解决的问题。解决上述问题的一种有效方法是对其进行表面功能化。石墨烯表面功能化是在非完美石墨烯表面的缺陷处,通过共价键、非共价键连接而引入特定的官能团,使石墨烯表面某些性质发生改变。该方法能达到的效果有:改善石墨烯的分散性;提高材料的表面活性;赋予其新的物理、化学特性;改善石墨烯与其他物资的相容性。可使用超临界干燥设备超临界改性反应装置对石墨烯材料进行干燥处理和改性处理。
    目前,石墨烯表面功能化的研究处于发展阶段,从功能化方法来看,主要分为两种:(1)共价键功能化;(2)非共价键功能化。功能化是实现石墨烯分散、溶解和成型加工的重要手段.
1.1共价键功能化
    由于石墨烯的边缘部位和缺陷处具有较高的反应活性,在这些部位通过共价键连接一些适宜的基团是一种有效的表面功能化方法,即共价键功能化。制备过程中通过化学氧化方法对石墨烯进行酸化处理得到氧化石墨烯,石墨烯氧化物中含有大量羧基、羟基和环氧基等活性基团,因而可以利用这些基团与其他分子之间的化学反应对石墨烯表面进行共价键功能化。
1.2非共价键功能化
    除共价键功能化外,还可通过非共价键连接方法对石墨烯表面进行功能化,即可用π-π相互作用、离子键以及氢键等超分子作用使石墨烯表面得到修饰,从而提高石墨烯的分散性。由于石墨烯本身具有高度共轭体系,其易于与同样具有π-π键的共轭结构或者含有芳香结构的小分子和聚合物发生较强的π-π相互作用。
2电子性能改性
    为了更好地将石墨烯这种具有优良物理性能的材料利用到半导体电子器件领域,需要对其电子结构进行适当的控制以调节其电子性能。目前,可通过掺杂和离子轰击方法来改变石墨烯的电子性能。
2.1掺杂
    众所周知,掺杂可完全改变半导体的基本特性,并有效控制半导体纳米晶体的光、电、磁学特性,直接促使新型光电子器件的实现,为纳米晶体的广泛应用提供了巨大空间。该方法也可用来扩展石墨烯在光电子器件领域的应用,大量研究表明石墨烯掺杂是调控石墨烯电学与光学性能的一种有效手段。
2.2离子轰击
    另一种改变石墨烯电子性能的方法是离子轰击,即赋予离子一定的初始能量,使其轰击石墨烯靶材。轰击会导致石墨烯中缺陷(如空位、纳米孔、取代缺陷、吸收缺陷等)的产生。石墨烯中这些缺陷的存在会导致其电子运动状态发生变化,例如,石墨烯中空位的存在会使其费米能级附近的电子状态发生根本性变化。
3石墨烯的氢化物和化学掺杂
    石墨烯氢化物电子结构和晶体形态展示出与石墨烯不同的表现,一般称之为石墨烷。对石墨烯的化学掺杂会形成一系列新的石墨烯衍生物,这种化学掺杂往往是建立在石墨烯的共价键功能化的基础上得以实现的,针对石墨烯的带隙、载流子极性和载流子浓度进行改性,使之具备可调变性,是石墨烯在微电子工业的潜在的应用方式之一。
4石墨烯/聚合物的复合体系
    将具备优秀特性的无机材料与可加工型良好的高分子材料复合在一起向来是学者在科研工作中的一个方向和目标。石墨烯具有高比表面积的特性,因此很小百分比或者微小的加入量都能让石墨烯在高聚物基体中形成交叉网状的结构形态。同时,石墨烯具备的卓越电学性能和机械性能,也是许多科研工作人员将精力放在石墨烯的复合材料研究上的一个重要原因。
4.1聚合物基石墨烯复合材料
    实际上对聚合物基石墨烯复合材料早己有之,学者们首先考虑到采用插层法处理聚合物和氧化石墨,利用氧化石墨烯与聚合物之间的相互作用实现高聚物/氧化石墨烯复合材料的功能化,同时也通过这种方法实现石墨剥离成石墨烯薄片的过程。

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