氧化石墨烯的制备工艺研究文献综述

 2021-09-25 01:09

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文献综述

石墨烯作为一种具有独特结构和优异性能的新型材料,其理论研究、制备方法及功能化应用等都已成为国内外学者的研究热点。但是,在石墨烯的分散过程中,由于单一的完整的六元环结构,使得石墨烯分子间存在很强的分子间作用力(如π-π键相互作用力),各片层很容易堆叠在一起,并且石墨烯表面呈现稳定惰性,很难溶解于溶剂中,更难与其他有机或无机的材料均匀的复合,这是石墨烯在应用的过程中的一个令人十分困扰的问题[1]。与石墨烯相比,氧化石墨烯(GO)不仅含有羟基、环氧基、羰基、羧基等多种官能团,同时还能被小分子或者聚合物插层,或剥离,能有效改善复合物材料的性能。因此,人们近年来加强了对氧化石墨烯的探讨与研究,使其在相关领域中发挥更大的作用。

1石墨烯的制备

1.1微机械剥离法

石墨烯最早是通过微机械剥离法制得的。2004年,曼彻斯特大学Geim[2]等用胶带从石墨上剥下少量单层石墨烯片,成为石墨烯的发现者,并引发了新一波碳质材料的研究热潮。该法虽然可以获得质量较好的单层和双层石墨烯,能部分满足实验室的研究需要,但产量和效率过低,高质量的石墨烯的规模制备成为人们追求的目标。

1.2化学剥离法

由于化学剥离法具有制备简单、原材料来源丰富和产量高等特点,可以满足日益需求的石墨烯研究与应用的需要,因此该法被认为是制备石墨烯最主要的手段之一[3]。化学剥离法的制备过程可概括为:(1)将石墨氧化,常见的方法有Hummers法、Brodie法以及Staudenmaier法,这是石墨烯制备的关键步骤,石墨的层间距只有0.34nm,经氧化后其层间距可增大到0.9nm左右[4]。对高疏水性的石墨进行氧化主要是为了改变石墨层间的自由电子对,对其表面进行含氧官能团的修饰(如:-OH、-COOH、-C=O等等),这些官能团的引进可显著降低石墨层间的范德华力,增加其亲水性;(2)利用声化学将存在于水溶液或其他有机溶液的氧化石墨分散成均匀的单层或数层氧化石墨烯溶液,再通过化学还原、热还原、微波还原等手段即可得到石墨烯[5]。

1.3化学气相沉积法

以镍、铜等金属层为基底,采用化学气相沉积法可制备出石墨烯,该法制备的石墨烯的纯度与微机械剥离法相近,但是具有很高的产率和高的电子迁移率[6]。以镍金属为例,其思路是:碳原子首先在高温下与镍金属形成固溶体,冷却时,过饱和的碳可在镍表面析出,即形成了石墨烯。因此,碳的浓度和冷却速率是化学气相沉积法制备石墨烯的关键因素。然而对铜金属而言,它与碳不互溶,在石墨烯形成过程中,铜主要是起催化剂的作用,即碳原子在铜的表面吸附并结晶生成石墨烯。当铜的表面被一层石墨烯覆盖后,阻碍了后续碳原子的沉积,因此以铜金属为基底,采用化学气相沉积法制备的石墨烯往往具有单层的结构[7]。

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