化學(xué)修飾石墨烯的分離與評(píng)價(jià).pdf

1、石墨烯是一種由單層碳原子緊密堆積構(gòu)成的二維平面結(jié)構(gòu)的新型碳材料。自2004年首次獲得可以在室溫獨(dú)立存在的石墨烯以來,石墨烯已經(jīng)在納米電子學(xué)、傳感器、納米復(fù)合材料、電池、超級(jí)電容器、生物醫(yī)藥、儲(chǔ)氫、力學(xué)、傳熱和光學(xué)等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出其獨(dú)特的潛在應(yīng)用價(jià)值。但目前現(xiàn)有的高質(zhì)量石墨烯(一般為樸素石墨烯)的制備方法很難滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。探索如何制備大批量具有較高質(zhì)量及特定尺寸要求的石墨烯對(duì)其性能研究及開發(fā)應(yīng)用具有重要意義。通過對(duì)天然石墨先進(jìn)行化

2、學(xué)氧化然后還原得到的化學(xué)修飾石墨烯的方法,由于其可靠性高,可以大規(guī)模生產(chǎn),原材料成本相對(duì)較低且易于進(jìn)行表面化學(xué)功能修飾,成為解決該問題的主要潛在途徑。本文主要針對(duì)如何批量獲得在尺寸及表面化學(xué)上具有單分散性的化學(xué)修飾石墨烯及氧化石墨烯的還原方法上展開具體的研究,以促進(jìn)實(shí)現(xiàn)其大規(guī)模應(yīng)用。主要的研究工作及結(jié)果如下:
　　 1.化學(xué)修飾石墨烯的分離以天然石墨為原料,利用modified Hummers法制備出氧化石墨,并通過超聲剝離的方

3、式來獲得氧化石墨烯。然后采用水合肼對(duì)其進(jìn)行還原以獲得化學(xué)還原石墨烯?；诨瘜W(xué)修飾石墨烯沉降速率的差異,引入用于生物大分子的分離技術(shù)-密度梯度超離心分離技術(shù),對(duì)化學(xué)修飾石墨烯進(jìn)行分離。在分離過程中發(fā)現(xiàn),密度梯度超離心速率分離不僅可以在短時(shí)間內(nèi)(如5 min)對(duì)化學(xué)修飾石墨烯進(jìn)行尺寸分離(50-700 nm),還可以對(duì)其表面化學(xué)性質(zhì)差異進(jìn)行分離(主要通過UV-vis、XPS及熒光光譜等表征驗(yàn)證)。特定尺寸大小(如小于20 nm)和功能化程度

4、的化學(xué)修飾石墨可以通過調(diào)節(jié)離心時(shí)間及密度梯度區(qū)間參數(shù)進(jìn)行選擇性的分離與富集。在分離過程中還可以除去一些不需要的團(tuán)聚體或雜質(zhì)(如硅酸鹽等)。通過這種分離方法可以為獲得大批量特定尺寸的石墨烯樣品提供一種解決途徑,有利于促進(jìn)石墨烯的應(yīng)用研究。另外它還為小尺寸范圍分布的穩(wěn)定的化學(xué)修飾石墨烯膠體溶液提供了一個(gè)潛在的分析方法。
　　 另外通過理論模型分析及對(duì)比實(shí)驗(yàn)(等密度分離及單層梯度分離),對(duì)分離機(jī)理進(jìn)行簡單的探討。研究表明在超離心過程中

5、,顆粒與梯度介質(zhì)密度差、顆粒尺寸及其表面化學(xué)對(duì)其在密度梯度里分離起主要作用。利用有梯度分離的寬尺寸分布及高空間分辨率,有利于對(duì)沒有任何信息未知樣品進(jìn)行分離。通過對(duì)分離過程原理的理解,從而有利于更好的實(shí)現(xiàn)特定功能樣品的分離。
　　 2.氧化石墨烯的還原評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同的還原方法會(huì)導(dǎo)致還原后的氧化石墨烯具有不同的性質(zhì),如何評(píng)價(jià)這些還原方法和選擇或開發(fā)一個(gè)適當(dāng)?shù)倪€原方法用于特定需求的應(yīng)用還是一個(gè)問題。本文通過對(duì)不同還原方法進(jìn)行文獻(xiàn)總結(jié)分析

6、,把目前已有的還原方法分為使用還原劑法、改變還原環(huán)境法和其它一些特殊方法；然后從中選出六種還原方法(水合肼、強(qiáng)堿、硼氫化鈉、水熱、高溫及兩步還原)進(jìn)行系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究(包括分散程度、還原程度、缺陷修復(fù)程度及導(dǎo)電性能),提出一種半定量判定氧化石墨烯還原的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在對(duì)RGO的評(píng)價(jià)過程中,主要通過分散性實(shí)驗(yàn)及原子力顯微鏡來考察其分散性能；結(jié)合UV-vis和XPS分析來對(duì)其還原程度進(jìn)行評(píng)價(jià)；利用Raman測試對(duì)其缺陷修復(fù)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)；根據(jù)

7、電導(dǎo)率測試,可以對(duì)還原程度或缺陷修復(fù)程度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。根據(jù)這個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),在選擇的六種還原方法里,兩步還原法是最好的還原方法。通過兩步還原法得到的RGO具有較高的還原程度、相對(duì)較好的缺陷修復(fù)程度及良好的導(dǎo)電性能,但其相對(duì)較弱的分散性能及繁瑣的制備過程仍然需要進(jìn)一步提高。
　　 理想的還原法不僅需要消除其含氧官能團(tuán),還需要對(duì)其缺陷進(jìn)行修復(fù),以獲得高質(zhì)量的RGO。在實(shí)際還原過程中,還原程度及缺陷修復(fù)程度是氧化石墨烯還原的兩個(gè)關(guān)鍵因素,