聚焦石墨烯宏观体的制备技术和应用前景:一维、二维、三维组装结构

独特的二维结构和优异的理化性能使得石墨烯迅速成为物理、化学以及材料等领域的研究热点。近年来,由二维结构的石墨烯组装形成的石墨烯宏观体材料,因具有本征石墨烯固有的理化性能又具有较大实际比表面积、连通的纳米通道以及良好的力学性能,使其在光学器件、电子器件以及环境治理等领域备受关注。结合当前研究热点,主要概述了石墨烯宏观体的制备及其在超级电容器、光电器件以及环境修复与治理等领域中的应用,简要地评述了石墨烯宏观体材料在制备及应用中面临的挑战,初步指出了未来石墨烯宏观体的发展趋势。     

Nafion改性多级孔径石墨烯气凝胶制备与性能研究

通过溶胶-凝胶法制备了孔径小于1 μm的多级孔径新型石墨烯气凝胶。制备过程中, 首先通过Nafion对氧化石墨烯(GO)表面进行化学修饰, 并利用乙二胺还原制备石墨烯水凝胶, 最终通过冷冻干燥形成石墨烯气凝胶。实验发现Nafion可以有效减少制备过程中氧化石墨烯的团聚, 使石墨烯气凝胶形成多级孔径形貌。所得石墨烯气凝胶的孔径可控制在1 μm以内, 远小于传统石墨烯气凝胶材料的孔径(20~100 μm)。这种具有独特结构的石墨烯气凝胶表现出优异的性能, 例如高比表面积, 高孔隙率, 其电化学电容性能相对传统气凝胶提高了约40%。     

Prospects of Supercritical Fluids in Realizing Graphene‐Based Functional Materials

Supercritical‐fluids science and technology predate all the approaches that are currently established for graphene production by several decades in advanced materials design. However, it has only recently been proposed as a plausible approach for graphene processing. Since then, supercritical fluids have emerged into contention as an alternative to existing technologies because of their scalability and versatility in processing graphene materials, which include composites, aerogels, and foams. Here, an overview is presented of such materials prepared through supercritical fluids from an advanced materials science standpoint, with a discussion on their fundamental properties and technological applications. The benefits of supercritical‐fluid processing over conventional liquid‐phase processing are presented. The benefits include not only better performances for advanced applications but also environmental issues associated with the synthesis process. Nevertheless, the limitations of supercritical‐fluid processing are also stressed, along with challenges that are still faced toward the achievement of the great expectations from graphene materials.     

氟化石墨烯的制备研究进展

新型碳材料氟化石墨烯以独特的物理、化学性能受到广泛关注,在众多领域具有广阔的应用前景。综述了氟化石墨烯的制备方法,主要介绍以氟化石墨为原料的物理剥离法、使用不同溶剂作为插层剂的化学制备方法,以及以氧化石墨烯、石墨烯作为原料的制备方法,总结了各种制备方法的优缺点,并对未来氟化石墨烯的发展前景进行了展望。     

亲油性长链烷基硅烷功能化石墨烯的制备与表征

用十六烷基三甲氧基硅烷在三乙胺存在下处理氧化石墨烯(GO),一步制得长链烷基硅烷功能化石墨烯(FG)。运用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)和紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)等技术对FG的结构与性能进行了测试表征。分析结果表明十六烷基三甲氧基硅烷中的Si—OCH3与GO表面上的OH反应,以Si—O—C连接在石墨烯片层的表面,而GO片层上其它含氧基团大部分被还原脱除,恢复了石墨烯的sp2杂化结构。FG具有很好的油溶性,可稳定分散于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃、丙酮、苯等有机溶剂中,并且在DMF中的最大分散浓度为1.90mg/mL。AFM的结果显示,FG在DMF中平均厚度约为1.7nm,以单层剥离状态存在。     

Cu箔衬底上石墨烯纳米结构制备

采用低压化学气相沉积法(LPCVD)在Cu箔上制备出了单层石墨烯纳米结构,用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和拉曼光谱等对其结构和形貌等进行了表征。在此基础上,通过调节生长参数,制备多种形貌的石墨烯结构,着重探索了在生长温度为1000℃、生长时间为2min时,CH4∶H2、生长压强和衬底晶体取向对石墨烯初始形貌的影响规律,石墨烯的形貌主要取决于C的扩散/沉积和H2对石墨烯的刻蚀,当氢气的刻蚀作用占主导地位时,石墨烯为规则的六边形,当C的扩散/沉积占主导作用时,C沿着特定的方向扩散快,形成花状形貌;而背电子散射衍射(EBSD)研究表明,衬底Cu箔的取向对石墨烯形貌的影响不明显,没有观察到衬底取向与石墨烯结构之间的直接联系。     

石墨烯分散液的制备以及应用前景

石墨烯因独特的晶体结构和丰富新奇的光电性能而成为研究前沿和热点。高浓度稳定分散的石墨烯分散液有着巨大的应用前景,可广泛应用于能源存储、电子信息、功能材料等多个领域。但石墨烯纳米片不亲水也不亲油,易发生团聚,难以长时间稳定分散在溶液中。本文分析了石墨烯在不同溶剂中的溶解性,综述了当前国内外一些石墨烯分散液的制备方法和开发前景,指出分子修饰法将是石墨烯分散液功能化制备的发展方向,这为石墨烯分散液的功能化应用提供了重要的参考。     

石墨烯及Ag/石墨烯纳米复合材料的原位合成

选择改进的H ummer方法制备氧化石墨烯;采用硼氢化钠和柠檬酸钠相结合的方法还原氧化石墨制备石墨烯及Ag/石墨烯纳米复合材料,采用拉曼光谱、TEM、SEM、UV-Vis、XRD、FTIR等多种测试手段对其表征,发现硼氢化钠可以还原氧化石墨烯中的边缘缺陷,柠檬酸钠可以剥离氧化石墨烯片层并使银纳米颗粒附着在石墨烯片层上,石墨烯层数较少且随着反应时间的延长,银纳米颗粒的尺寸也会逐渐增大.     

基于石墨烯吸附净化材料的研究进展

石墨烯是一种片层状高比表面积碳材料,理论比表面积可达2 630 m2/g,具有非常高的吸附容量、良好的化学稳定性及机械性能等。有关石墨烯的发展和应用已成为当前的热点研究课题之一。详细讨论了石墨烯及其复合物在吸附重金属离子、有机污染物、有毒气体中的研究进展。最后对石墨烯及其复合物在吸附方面中的发展与应用做出了评价,同时对它们在吸附上的应用前景做了展望。     

石墨烯的制备研究进展

近年来, 石墨烯以其独特的结构和优异的性能, 在化学、物理和材料学界引起了广泛的研究兴趣. 人们已经在石墨烯的制备方面取得了积极的进展, 为石墨烯的基础研究和应用开发提供了原料保障. 本文大量引用近三年最新参考文献, 综述了石墨烯的制备方法: 物理方法(微机械剥离法、液相或气相直接剥离法)与化学法(化学气相沉积法、晶体外延生长法、氧化?还原法), 并详细介绍了石墨烯的各种修饰方法. 分析比较了各种方法的优缺点, 指出了石墨烯制备方法的发展趋势.     

Stone–Wales Defect in Graphene

2D graphene the most investigated structures from nanocarbon family studied in the last three decades. It is projected as an excellent material useful for quantum computing, artificial intelligence, and next generation advanced technologies. Graphene exists in several forms and its extraordinary thermal, mechanical, and electronic properties, principally depend on the kind of perfection of the hexagonal atomic lattice. Defects are always considered as undesired components but certain defects in graphene could be an asset for electrochemistry and quantum electronics due to the engineered electronclouds and quantum tunnelling. The authors carefully discuss the Stone-Wales imperfections in graphene and its derivatives comprehensively. A specific emphasis is focused on the experimental and theoretical aspects of the Stone-Wales defects in graphene with respect to structure-property relationships. The corroboration of extrinsic defects like external atomic doping, functionalization, edge distortion in the graphene consisting of Stone-Wales imperfections, which are very significant in designing graphene-based electronic devices, are summarized.     

氧化石墨烯纳米带杂化粒子和石墨烯纳米带的研究进展

氧化石墨烯纳米带杂化粒子是将氧化石墨烯纳米带(GONRs)与其他纳米粒子经π-π键、氢键等结合方式复合在一起,通过这种特殊的结合形态一方面可以有效地防止GONRs的聚积,另一方面新的纳米粒子的引入能够赋予该杂化材料某些特殊的性能,从而有利于充分发挥GONRs杂化材料在聚合物改性等领域的综合性能。本文综述了氧化石墨烯纳米带杂化粒子的制备方法、性能和应用现状。此外,针对GONRs的还原产物石墨烯纳米带(GNRs)的结构、性能、制备方法及其应用领域也进行了系统性地论述。相关研究表明,氧化石墨烯纳米带杂化粒子的设计与制备是氧化石墨烯纳米带迈向实用领域的一个有效途径,而石墨烯纳米作为石墨烯的一种特殊结构的二维变体,继承了石墨烯优良的导电和导热等性能,同时特殊的边缘效应,因而呈现出了更广阔的应用潜力。     

Laser‐Induced Direct Graphene Patterning and Simultaneous Transferring Method for Graphene Sensor Platform

General methods utilized in the fabrication of graphene devices involve graphene transferring and subsequent patterning of graphene via multiple wet‐chemical processes. In the present study, a laser‐induced pattern transfer (LIPT) method is proposed for the transferring and patterning of graphene in a single processing step. Via the direct graphene patterning and simultaneous transferring, the LIPT method greatly reduces the complexity of graphene fabrication while augmenting flexibility in graphene device design. Femtosecond laser ablation under ambient conditions is employed to transfer graphene/PMMA microscale patterns to arbitrary substrates, including a flexible film. Suspended cantilever structures are also demonstrated over a prefabricated trench structure via the single‐step method. The feasibility of this method for the fabrication of functional graphene devices is confirmed by measuring the electrical response of a graphene/PMMA device under laser illumination.     

石墨烯湿敏性能研究进展

湿度传感器与大气监测、工业生产和生物医疗等领域息息相关。随着科技的不断发展,人们对高性能湿度传感器的需求不断增加,这为湿度传感器行业的发展带来了前所未有的机遇和挑战,其中高性能湿敏材料的开发尤为关键。在诸多湿度传感器中,金属氧化物或金属氧化物/聚合物复合材料湿度传感器因其敏感元件选择的多样性、易于后加工处理和响应特性高等特点而受到广泛关注。与聚合物湿度传感器相比,陶瓷材料的合成过程更简便,响应也通常更为迅速,且聚合物的成本更低。近些年,新型纳米材料被广泛应用于湿度传感器领域,逐渐成为湿敏材料的主要发展方向及研究热点。零维和一维纳米碳质材料,如富勒烯、碳纳米管作为湿敏活性层制备的传感器通常具有大比表面积、可室温下工作、易于实现微型化、稳定性好等诸多优点,但它们的零维或一维结构与现有的平面电子器件加工工艺不相匹配。石墨烯是由sp2杂化的碳原子紧密排列构成的二维蜂巢晶格结构的单层石墨,其独特的二维结构适用于现有的平面电子器件加工工艺。石墨烯材料作为湿敏活性层受到研究者们的广泛关注是因为它具备诸多优异特性:(1)石墨烯的所有原子都在表面,具有超大的比表面积,原则上,石墨烯传感器的动态检测范围可以从单个分子到很高的浓度水平;(2)利用石墨烯的电学特性和力学特性可以很好地进行传感信号的转换;(3)金属、聚合物或其他修饰剂功能化的石墨烯能与特定分子发生相互作用,大大增强传感器的选择性;(4)石墨烯单晶可以制作四探针装置,从而能够避免接触电阻的影响,并大大提高灵敏度;(5)与其他纳米碳材料如碳纳米管相比,石墨烯和氧化石墨烯制备成本更低。本文综述了石墨烯湿敏性能及其应用的研究进展,着重讨论了本征石墨烯、氧化石墨烯和改性石墨烯的湿敏特性。文章最后分析了石墨烯基湿度传感器未来的发展方向和面临的挑战。