表面改性石墨烯的研究文献综述

 2021-09-25 01:09

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文献综述

石墨烯(graphene,Gr)是由sp2杂化碳原子按照蜂窝状排列而成的、以一个原子厚度存在的二维石墨纳米片。它不仅是碳材料中的又一新秀,更被认为是构成零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨等碳系家族成员的基本单元。自2004年Geim团队通过机械剥离的方法首次成功制Gr后,20世纪30年代Landau及Mermin等提出的热力学条件限制其独立存在的传统理论被彻底颠覆了。源于Gr的优异物化性能,如超大的比表面积、优异的导电性、导热性和机械性等,迅速引起了世界范围内的研究热潮,现已成为世界科技创新的前沿领域之一。

1 石墨烯的表面改性

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。墨烯的化学性质十分稳定,但外侧富含缺陷和悬键,且其边缘和基面还存在着不少未被还原的含氧官能团,因此具有与其他物质发生反应的能力。通过化学反应,可对石墨烯进行表面改性,使其带有不同的官能团,提高其在溶剂中的分散性及与聚合物的复合性。

1.1 有机物改性石墨烯

有机改性石墨烯的方法可分为共价键改性和非共价键改性。共价键改性通常先通过化学氧化的方法使石墨烯表面带有羟基、羧基及环氧基团等高反应活性的含氧基团,再通过与含氧基团的共价反应在石墨烯表面引入有机官能团;而非共价键改性主要是基于分子间相互作用力或离子键作用力,使有机分子或离子覆盖在石墨烯的表面,在不破坏石墨烯结构的前提下降低石墨烯片层之间的相互作用力,以提高其分散性。

1.1.1 有机小分子改性石墨烯

通过有机小分子对石墨烯进行改性,可以使石墨烯带有不同的小分子官能团,从而提高其在溶剂中的分散性和稳定性。

1.羧酸改性石墨烯

将羧酸转化为其钠盐,然后通过共价键结合将正丁基引入到氧化石墨烯表面,最后对产物进行还原(图1),制得亲油的改性石墨烯。该方法可在低温下大量生产,且产物可在有机溶剂中形成胶态悬浮体,在纳米复合材料和薄膜的制备中具有很广泛的应用。

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