机械剥离法制备高质量石墨烯的初步研究

采用机械剥离法制备了高质量的石墨烯。利用光学显微镜、原子力显微镜和拉曼光谱仪分析了石墨烯的厚度、形貌和结构。结果表明剥离的石墨薄层包含了高质量的单层及2~3层石墨烯。机械剥离法是制备高质量石墨烯最简单的方法。     

直接液相剥离法制备无缺陷石墨烯

石墨烯优良的物理和化学性能,使它日益得到广泛的关注.如何获得高质量高产量的石墨烯对石墨烯未来的开发和应用至关重要.直接液相剥离法制备石墨烯是一种有望实现高质量石墨烯量产化的方法.该方法是在一定介质中通过超声手段将石墨烯晶体从石墨中剥离出来,形成胶体溶液,从而得到石墨烯.通过剥离介质(溶剂及辅助试剂)的筛选可以有效地提高石墨烯的剥离效率.本文主要介绍近年来液相剥离法制备石墨烯的研究进展,讨论了在不同的剥离介质、剥离条件下制得的石墨烯的质量和产量.旨在为未来液相剥离法制备石墨烯的发展提供参考,开发更加有效的剥离体系,研究能够高效生产高性能石墨烯的新方法.     

新材料与新工艺

<正>我国在石墨烯的可控制备方面取得系列进展中国科学院化学研究所有机固体重点实验室与北京大学、北京师范大学和清华大学合作,利用化学气相沉积(CVD)方法,在高质量石墨烯的可控制备方面取得了系列重要进展。     

石墨烯器件结构参数对光电特性的影响

为了提高石墨烯基器件的光电响应性能,采用化学气相沉积法制备单层石墨烯,制备石墨烯/二氧化硅/硅结构器件;采用紫外-可见分光光度计、光学显微镜以及拉曼光谱对石墨烯薄膜进行材料特性表征,测试和分析不同结构参数的石墨烯器件在光辐照下的光电特性.研究结果表明:当甲烷流量为30 sccm,反应温度为1 030℃,退火时间为20 ...     

石墨烯/石墨单层涂层织物的电磁性能和力学性能的研究

以锦纶为基布,以聚氨酯为基体,以石墨烯和石墨为功能粒子,采用涂层工艺制备了石墨烯/石墨单层涂层织物。重点研究了不同配比的石墨烯和石墨混合物对单层涂层织物的电磁性能和力学性能的影响。结果表明:在0 MHz～1000 MHz频率范围内,石墨烯和石墨用量10:0混合时,石墨烯单层涂层织物的介电常数实部、损耗角正切均最大,即该材料对电磁波的极化能力、衰减能力均最强;石墨烯和石墨用量对石墨烯单层涂层织物的介电常数虚部影响很小;在0 MHz～40 MHz频率范围内,石墨烯和石墨用量8:2混合时,石墨烯单层涂层织物的屏蔽效能最大,对电磁波的屏蔽能力最强。     

电化学剥离法制备石墨烯及表征

采用电化学剥离法,以石墨纸为原料,0.5mol/L、1.0mol/L、1.5mol/L硫酸为电解液制备石墨烯。通过X-射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)及拉曼光谱仪等手段,对所制备石墨烯样品的物相、形貌、结构及表面官能团进行表征。结果表明:该方法能高效制备石墨烯,所制备的石墨烯表面含有羟基、羰基、羧基等官能团;当硫酸浓度为0.5mol/L时,制备的石墨烯缺陷较少,层数最少,为4~5层;当硫酸浓度为1.0mol/L和1.5mol/L时,石墨烯的剥离程度降低,且石墨烯的缺陷密度增大。     

双层石墨烯NO_2气敏特性

使用化学气相沉积法生长石墨烯,制备单层和双层石墨烯气敏传感样品,采用拉曼光谱和光学显微镜对所制样品进行表征,通过气敏响应测试,比较单层和双层石墨烯对NO_2的气敏特性.结果表明,双层石墨烯相对单层石墨烯在低NO_2气体体积分数下解吸附时间缩短,响应度提升.在NO_2气体体积分数为10~(-6)量级时,双层石墨烯比单层石墨烯的响应时间提高近10倍,解吸附时间缩短近4倍,且探测下限达到50×10~(-9).     

多层石墨烯的粗粒化分子动力学模型与力学性能

为了有效研究多层石墨烯等石墨烯集合体的力学性能,避免由于实验难度大、全原子计算成本高等带来的困难,基于Tersoff势函数提出一种可用于计算大规模石墨烯的粗粒化分子动力学方法。该方法计算时只需输入原子坐标,大大减少了模型的数据处理,提高了计算效率。通过与全原子模型计算结果比较,本文提出的粗粒化分子动力学方法可以准确预测多层石墨烯的拉伸破坏性能,对制备高性能石墨烯纤维有一定的指导意义。     

压力诱导流动成型聚苯硫醚的多极有序结构

以硅烷偶联剂KH-570对多层氧化石墨烯进行表面改性处理,对多层氧化石墨烯和聚苯硫醚共混物进行压力诱导流动成型,制备了聚苯硫醚/多层氧化石墨烯二元复合材料。通过形貌观察(SEM)、力学性能测试、动态力学测试(DMA)和差示扫描量热仪(DSC)测试,研究了多层氧化石墨烯质量分数和压力诱导流动加工对复合材料结构与性能的影响。结果表明,共混多层氧化石墨烯的质量分数为0.3%时,复合材料的力学性能最佳;进行压力诱导流动加工后复合材料的力学性能会进一步提高。由此,得出一种快捷、高效的生产高强度和高韧性聚苯硫醚复合材料的方法。     

石墨烯化学及潜在应用

石墨烯以其独特的二维结构（由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子以sp2杂化连接而成的单原子层组成）和优异的电学、光学、热学和机械性能,倍受科研机构的大力关注,迅速成为材料、化学、物理和工程领域的热点研究课题。石墨烯可以通过机械剥落法、碳化硅表面外延生长、取向附生法、化学气相沉积法、化学分散法及化学合成法等方法制备。与富勒烯（C60,C70）的功能化一样,利用共价键合修饰或非共价键合修饰的方法可以在石墨烯表面或石墨烯体系引入功能基团或功能组分,制备出具有特殊功能的石墨烯衍生物。大量理论和实验研究表明,石墨烯及其衍生物在纳米器件、半导体材料、生物传感器、信息存储、太阳能电池和储氢材料等领域具有潜在的重要应用价值。综述了近年来石墨烯的制备方法、化学修饰和应用研究进展,对存在的问题和未来的发展方向作了适当阐述。     

石墨烯对镁合金微弧氧化层结构和耐蚀性影响

利用微弧氧化工艺,并通过在硅酸盐系电解液中添加氧化石墨烯,在AZ31镁合金表面制备一层含碳的微弧氧化陶瓷层。运用扫描电子显微镜(SEM)及能谱仪(EDS)等测试方法研究了涂层的表面形貌、厚度等。结果表明:加入氧化石墨烯后陶瓷层致密平整,膜层缺陷得到有效改善,含碳陶瓷层厚度为4～5μm,与基体结合良好。电化学测试结果表明,加入氧化石墨烯后能有效提高AZ31镁合金的耐腐蚀性能。     

聚丙烯腈共价接枝石墨烯的制备与表征

针对石墨烯及石墨烯/聚合物纳米材料由于范德华力和π-π相互作用引起的片层堆积问题,采用自由基聚合引发剂引发丙烯腈(AN)与氧化石墨烯(GO)的聚合反应,制备聚丙烯腈接枝石墨烯(PAN-g-GO),并采用SEM、TEM、XRD、XPS、FT-IR和TG等测试方法对PAN-g-GO的结构进行表征.结果表明:PAN分子链被成...     

一种氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结制备工艺研究

针对目前石墨烯类器件核心敏感结质量不高的现状,基于石墨烯和氮化硼的转移工艺设计了一种高质量的氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结制备工艺.本工艺应用垂直气象干燥法、热合成以及纳米薄膜图形化等单步工艺优化了石墨烯和氮化硼的湿法转移技术,减少了转移过程中外部环境对石墨烯的影响,最终达到提高转移质量的目的.SEM扫描图显示异质结制备成功,拉曼光谱仪的测试结果表明氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结的G峰位置为1 586cm~(-1),2D峰位置为2 683cm~(-1),强度比为5.34,异质结具有较高的质量.     

石墨烯/裂解炭复合凝胶的制备及其在电化学电容器中的应用

在常温常压条件下制备了氧化石墨烯/多巴胺复合三维凝胶结构,并通过高温煅烧得到了石墨烯/裂解炭复合结构。采用扫描电镜和比表面积测试发现裂解炭的包覆有效降低了石墨烯片层的团聚,得到的材料表现出了较大比表面积;通过恒流充放电测试发现所制备的材料具有较好的电容性能。     

微波法制备石墨烯及其功能化对环氧树脂性能的影响

为了高效低成本地制备高质量石墨烯,在微波炉中加热可膨胀石墨（graphite intercalation on compounds,GIC）制备膨胀石墨,然后将聚醚胺（D2000）接枝在石墨烯（GnPs）表面,制得功能化石墨烯（D2000-g-GnPs）并分析其表征。随后用超声分散和磁力搅拌制备了环氧树脂（epoxy resin,EP）/石墨烯复合材料黏合剂。研究改性前后石墨烯对增强环氧树脂机械性能和拉伸断裂面表面形貌的影响。实验表明,环氧树脂的拉伸强度、杨氏模量、断裂韧性以及断裂能量释放率都随着石墨烯含量的增加先增加后减少,在改性石墨烯质量分数达到0.3%时复合材料的机械性能达到最大值。拉伸强度达到76.269 MPa,比未改性前的石墨烯/环氧树脂复合材料提高了24.95%;杨氏模量达到1.315 GPa,提高了10.97%;断裂韧性达到1.79 MPa·m0.5,提高了16.23%。此外,添加D2000-g-GnPs使环氧树脂黏合剂的导电性大幅提高,得到较低的渗流阈值为1.0%。     

石墨烯及石墨烯远红外棉针织物制备及性能研究

以鳞片石墨为原料制备石墨烯,乙酸/氢碘酸为还原剂,通过氧化还原法制备石墨烯,采用SEM对其形貌及显微结构进行表征,结果表明:石墨烯具有清晰的二维片层结构,与鳞片石墨的红外光谱基本相似,结合FTIR图谱及XRD图分析得出鳞片石墨经氧化还原后成功得到较高品质的石墨烯。然后通过后整理方式探究石墨烯远红外性能及石墨烯含量对织物远红外温升的影响,结果表明:其具有良好的远红外性能,当石墨烯含量为1.5%时,织物表面温升达3.8℃。     

石墨烯电极材料的电容性能

石墨烯是一种新型的碳材料,具有单层碳原子构成的二维平面结构。这种特殊的结构使得石墨烯具有许多独特的物理与化学性能。探索了液相还原法和热还原法制备石墨烯的工艺,对2种不同工艺所制备石墨烯材料进行了物理性能测试。以热还原法制备的石墨烯作为锂离子电池负极材料,在50 mA/g的电流密度下其首次充放电容量分别为893.5 mAh/g和2 114.6 mAh/g,分别是传统石墨负极的325%和619%;但石墨烯的首次充放电效率仅为42.25%,30次循环后,容量保持率仅为28.2%;只有通过改性或复合处理,才能充分发挥石墨烯的高容量优势。     

石墨烯/聚苯胺水凝胶的制备及其在超级电容器中的应用

为解决二维纳米材料石墨烯在使用中容易堆叠的问题,制备了石墨烯/聚苯胺复合水凝胶,先利用氧化石墨烯片层间的π-π相互作用、含氧官能团、氢键等作用力自组装而成三维水凝胶,再将苯胺单体化学氧化原位聚合并复合入石墨烯水凝胶中制成复合水凝胶,应用于超级电容器的电极材料中具有较好的电容性能.在冰浴条件下制备有利于聚苯胺形成长链,其复合水凝胶比电容可达390.9 F/g,比普通石墨烯水凝胶提高了近60%.     

烘干温度对石墨烯单层涂层织物电磁性能的影响

课题以锦纶为基布,以聚氨酯为基体,以石墨烯为功能粒子,采用涂层工艺制备了石墨烯单层涂层织物。重点研究了烘干温度对石墨烯单层涂层织物的电磁性能的影响。结果表明:在0 MHz～1000 MHz频率范围内,烘干温度为80℃时,石墨烯单层涂层织物的介电常数实部最大,即该材料的极化能力最强;烘干温度为100℃时,石墨烯单层涂层织物的介电常数虚部最大,即该材料对电磁波的损耗能力最强;烘干温度对损耗角正切值影响不大;在0 MHz～40 MHz频率范围内,烘干温度为120℃时,石墨烯单层涂层织物的屏蔽效能最大,对电磁波的屏蔽能力最强。     

石墨烯/白炭黑杂化材料的制备工艺设计

石墨烯纳米片是由sp²组成的密实单层蜂窝状晶格纳米结构杂化碳原子,具有优良的热性能、优异的力学和电学性能。但由于其具有较大的表面能、较高的化学稳定性,石墨烯纳米片自身之间存在很强的范德华力,容易发生不可逆的聚集,使其难溶于水和常用有机溶剂,限制了石墨烯的进一步研究和应用。本工作采用液相剥离法制备石墨烯,通过γ-氨丙基三乙氧基硅烷的偶联作用,制备了石墨烯白炭黑杂化材料。白炭黑的修饰改善了石墨烯的分散性问题,有效解决石墨烯的自聚集和与基体界面结合作用弱的瓶颈问题,并且能够使石墨烯稳定分散,尤其是在橡胶基体中,从而改善天然橡胶的各项物理机械性能。