超声剥离二次膨胀石墨制备石墨烯纳米片

以天然鳞片石墨为原料,氧化插层制备可膨胀石墨,微波热解膨胀后,对膨胀石墨进行二次氧化插层并微波膨胀,采用超声剥离法制备出包含大量少层数碳原子的石墨烯纳米片。采用傅里叶红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和拉曼光谱(Raman)对其结构和形貌进行分析。结果表明,氧化插层增大了石墨层间距,膨胀石墨更易于进一步氧化插层引入含氧基团;在微波作用下,石墨内部含氧基团热分解放出气体,进一步增大石墨层间距,甚至部分剥离;对二次膨胀处理的石墨薄片进行超声剥离可得到石墨烯纳米片,大部分石墨烯层数低于5层。     

石墨烯的制备及其对环氧树脂导电性能的影响

采用硼氢化钠(NaBH4)水溶液对一阶FeCl_3插层石墨层间化合物(Graphite Intercalation Compound,GIC)进行膨胀剥离制备了高质量石墨烯,并由此制备了石墨烯/环氧树脂复合材料。结果表明:通过适当的无水氯化铁和天然鳞片石墨质量比,在330℃的条件下制备了FeCl3-GIC层间化合物。XRD和扫描电镜数据显示,石墨插层化合物的层间距从天然鳞片石墨的0.335nm增加到0.930nm,证明该层间化合物为一阶FeCl_3-GIC。利用透射电子显微镜、拉曼光谱、傅里叶红外仪、X射线光电子能谱分析仪对石墨烯进行表征,表明成功制备了少数层或单层石墨烯,所得石墨烯结构缺陷较小,其I_D/I_G为0.09,C/O为40.80,对比天然鳞片石墨的ID/IG(0.17),说明NaBH_4膨胀剥离的石墨插层化合物时,对天然鳞片石墨存在的结构缺陷进行了一定程度的修复。天然鳞片石墨的傅里叶红外谱图中存在C—O(1735cm~(-1)),环氧结构C—O(1228cm~(-1))特征峰,而相对应的峰位置石墨烯没有官能团特征峰表现出来,表明硼氢化钠产生的氢成功还原石墨中的氧使石墨结构更完善。以该高质量石墨烯与环氧树脂制备的复合材料的导电性能随石墨烯含量的增加逐渐增强,体积电阻率从纯环氧树脂的1.95×10~(13)Ω·cm降低到石墨烯体积分数为3.70%时的3.41×10~5Ω·cm,材料的导电性提高了8个数量级;材料断面形貌的SEM照片表明石墨烯与环氧树脂存在一定的不相容性。     

连续稳定分散状态下制备石墨烯

为了研究并消除石墨团聚对石墨烯产量的影响,在连续性稳定分散状态和非连续性稳定分散状态下采用机械剥离法制备了石墨烯溶液,通过zeta电位表征了制备过程中石墨的团聚情况,利用吸光度测试研究了石墨溶液的分散状态,并通过原子力显微镜表征了制备出的石墨烯结构。结果表明,石墨片层结构被剥离使石墨表面积被释放,导致石墨的团聚势能增加,剥离效果和石墨烯产率下降;连续性稳定分散状态克服了随剥离过程剧增的团聚势能,经4h机械剥离制备,上层清液石墨烯产量提高率达到21.9%;制备出的厚度为1~2nm的单层石墨烯结构完好且处于良好分散状态;该方法为大规模制备石墨烯提供理论和工程指导。     

石墨烯的制备方法

目的探究和比较制备石墨烯的两种常见方法,即氧化还原法和液相剥离法。方法采用液相剥离法,在N-甲基吡咯烷酮中超声剥离膨胀石墨制备单层和多层石墨烯,与氧化还原法制备得到的石墨烯在微观形貌和结构表征方面进行比较,并在此基础上比较不同有机溶剂液相剥离制备的石墨烯分散液的浓度和稳定性。结果液相剥离法得到的石墨烯具有更好的片层结构,分子结构含有较少的杂团和含氧基团,石墨烯片层间距较宽,热稳定性更好。在N-甲基吡咯烷酮中液相剥离制备的石墨烯质量浓度可达0.15 mg/m L,稳定性相对较好,该方法在一系列应用中也更易制备导电薄膜和复合材料。结论相较氧化还原法,液相剥离法制备的石墨烯性能更好。     

分步插层法制备硝酸盐-硫酸-GIC

通过硫酸、硝酸或硝酸盐分步插层的方法,成功制备了硝酸/硝酸盐-硫酸-GIC三元石墨层间化合物.采用XRD、SEM和EDS对GIC的结构进行了研究.结果表明:与直接插层法相比,分步插层法有利于插层物质的插层反应,充分扩大石墨层间距,形成低阶石墨层间化合物,使膨胀效果更优,膨胀体积高达450mL/g以上;膨胀后GIC的孔结构均匀,层壁较薄,片层结构清晰,膨胀充分.同时,分步插层法能够降低实验操作的危险性,污染小,反应易于控制.     

石墨及其改性产物研究进展

天然石墨是具有片层结构的含碳无机材料,层间由范德华力连接,可用物理或化学方法将其它分子、原子、离子甚至原子团插入其层间,生成石墨层间化合物(GIC);GIC经高温膨胀可得到体积为其几百倍的膨胀石墨(EG);在超声粉碎时,膨胀石墨上的石墨微片剥离,得到纳米石墨微片(NanoG)。近年来,富勒烯(Fullerence)、碳纳米管(CNT)、石墨烯(Graphene)的先后开发,为石墨家族注入新的活力,并为其应用开辟了新的空间。系统论述了天然石墨及其改性产物如EG、NanoG、Graphene、CNT、Fullerence的结构、制备方法、性质及用途。     

电化学插层对石墨晶层的剥离作用

把石墨电极置于电解槽的阳极和阴极，间歇改变电极的正、负极，使电解质对石墨晶层进行电化学插入与脱插，最终使石墨以纳米薄片形式分散于介质中。用透射电镜、傅里叶红外光谱表征了薄片石墨的结构，探讨了石墨的电化学剥离过程。     

三元型钾四氢呋喃-GIC的制备及稳定性研究

采用正交试验设计方法优化反应条件制备了纯1阶结构的钾 四氢呋喃 石墨插层化合物(K THF GIC),研究了1阶K THF GIC在空气中放置、溶剂洗涤以及加热处理时的稳定性,并对K、THF嵌入石墨层间以及从石墨层间脱嵌的过程进行了探讨。结果表明:制备K THF GIC时,插层剂浓度和插层反应时间对产物结构的影响很大,较大的插层剂浓度,较长的反应时间有利于石墨反应完全;1阶K THF GIC的稳定性较差,K、THF容易从层间脱嵌,使得阶结构由1阶向高阶变化,高阶K THF GIC的稳定性相对1阶K THF GIC来说要好一些,即形成高阶K THF GIC后,K、THF从层间脱嵌的速率要慢些。     

微波辐照气相法合成氮掺杂石墨烯

以天然鳞片石墨为原料, 采用Staudenmaier法先制备出石墨氧化物, 再经饱和碳酸铵溶液浸渍后生成NH₄⁺插层石墨氧化物. 在微波照射下, NH₄⁺分解生成的NH₃与剥离的石墨烯氧化物反应原位合成出氮掺杂石墨烯. 通过SEM、TEM、EDS、XRD、XPS和Raman测试手段对氮掺杂石墨烯进行了表征. 结果表明, 所合成的氮掺杂石墨烯呈透明绢丝状结构, 每个石墨烯片含有2~5层石墨层; 氮元素含量为1.56wt%, 其中N元素是以pyridinc N、 pyrrolic N和graphitic N形式掺入石墨层网格中.     

石墨烯纳米片的制备和表征

以鳞片石墨为原料,采用氧化插层和微波膨化制备膨胀石墨,对膨胀石墨进行二次酸化膨胀处理,利用超声剥离法制备石墨烯纳米片,并借助XRD、SEM、RAMAN和AFM等分析其微观结构和形貌。结果表明:微波膨化处理可快速高效得到膨胀石墨;通过对膨胀石墨超声剥离可破坏其原有网络结构并将石墨晶片剥离为大量的石墨薄片;对二次膨胀处理的膨胀石墨进行超声剥离可得到石墨烯纳米片,其中包含大量的3-5层石墨烯。     

超声剥离制备石墨烯纳米片及其结构表征

以鳞片石墨为原料,采用插层氧化法制得可膨胀氧化石墨,然后经高温热解获得膨胀石墨,再通过超声剥离得到石墨烯纳米片,采用FTIR、XRD、SEM、TEM和Raman对所得石墨烯纳米片的微观结构进行表征。结果表明,可膨胀氧化石墨在800℃高温热解30 s得到膨胀体积最大的膨胀石墨,由80目和100目鳞片石墨制得的膨胀石墨的最大体积分别为215 mL/g和85 mL/g,且在50℃条件下超声剥离5 h分别得到30~50层和6~20层的石墨烯纳米片。     

纳米功能化石墨烯/室温硫化硅橡胶复合材料的制备与表征

用KH-550对氧化石墨进行改性, 再对其进行还原, 获得功能化石墨烯(FG), 未经干燥的FG经超声处理后可以稳定分散在质量比9∶1的丙酮/水混合液中; 在高速搅拌和超声分散条件下, 将FG分散液分散到室温硫化(RTV)硅橡胶中, 固化后得到纳米FG(nano-FG)/RTV硅橡胶复合材料。采用FTIR、TEM、SEM、XRD和DSC分析了FG及复合材料的结构和形貌。结果表明: KH-550连接到石墨烯片层表面上, 使其片层起皱、折叠, 部分发生了剥离, 层间距增大到3.46 ; FG经过超声处理后剥离成透明至半透明的片层; nano-FG/RTV硅橡胶复合材料的断面结构为褶皱结构, 不同于纯硅橡胶, 也未出现微观相分离; 与硅橡胶相比, 复合材料的T_g、T_m和结晶度均有所提高。复合材料的力学性能测试结果表明, nano-FG对RTV硅橡胶具有明显的补强效果, 当nano-FG质量分数为0.5 %时, nano-FG/RTV硅橡胶复合材料的拉伸强度比纯RTV硅橡胶提高了一倍多, 达到了0.43 MPa; 断裂伸长率也提高了52%, 达到了265%。      

以石墨烯与粘土间的插层实现石墨烯片层的稳定分散（英文）

氧化石墨烯的还原反应将导致石墨烯片层的复叠和团聚,使其在水分散液中发生沉淀。本文采用粘土胶体帮助还原氧化石墨烯在水中的稳定分散,并阻止石墨烯片层的复叠。氧化石墨烯水分散液与粘土胶体相混合之后,在微波辅助条件下,对氧化还石墨烯进行还原。当粘土与还原氧化石墨烯的质量比是1∶1时,混合液的分散稳定性最好。XRD图谱中还原氧化石墨烯的(002)峰消失,可见石墨烯片层没有发生复叠。还原氧化石墨烯与粘土片层之间,由于静电相互作用和空间位阻效应,形成了插层结构。由透射电镜观察可知,还原氧化石墨烯表面均匀分布着粘土片层。粘土与还原氧化石墨烯的混合物的比表面积高于还原氧化石墨烯17.6%。这种物理插层法为石墨烯片层的稳定分散提供了另一种思路。     

微波辐照液相法合成石墨烯

以天然鳞片石墨为原料, 采用Hummers法先制备出石墨氧化物, 再采用微波辐照法在N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂中合成出石墨烯. 微波辐照选择性地加热NMP溶剂, 同时石墨氧化物因其含氧官能团分解成CO、CO₂、H₂O气体而得以剥离和还原. 通过XRD、SEM、EDS、TEM、HRTEM、SAED、XPS和Raman测试手段对所合成的石墨烯进行了表征. 结果表明, 所合成的石墨烯尺寸为几微米, 呈透明绢丝状结构, 每个石墨烯片含有2~5层石墨层; 所合成的石墨烯可以均匀地分散在NMP溶剂中.     

液相剥离法制备石墨烯及在导热硅橡胶中的应用

采用高速剪切机液相剥离法,在胆酸钠的水溶液中将鳞片石墨剥离,离心得到石墨烯分散液。AFM、TEM、Raman表征结果发现,剥离出的石墨烯厚度小于4层,尺寸大约在2~3μm,高质量缺陷少(I_D/I_G≈0.15)。将石墨烯分散液冷冻干燥后与银粉共同添加到硅橡胶中,制备出导热硅橡胶。利用稳态热流法测试导热硅橡胶的导热系数发现,当添加3vol%石墨烯时,复合材料的导热系数由未添加石墨烯时的4.900 W/(m·K)提高到12.367 W/(m·K)。综上所述,通过液相剥离法成功制备出缺陷较少的少层石墨烯,能够与银粉协同提高导热硅橡胶的导热系数。     

液相剥离法制备石墨烯及在导热硅橡胶中的应

采用高速剪切机液相剥离法, 在胆酸钠的水溶液中将鳞片石墨剥离, 离心得到石墨烯分散液。AFM、TEM、Raman表征结果发现, 剥离出的石墨烯厚度小于4层, 尺寸大约在2~3 μm, 高质量缺陷少(I_D/I_G≈0.15)。将石墨烯分散液冷冻干燥后与银粉共同添加到硅橡胶中, 制备出导热硅橡胶。利用稳态热流法测试导热硅橡胶的导热系数发现, 当添加3vol%石墨烯时, 复合材料的导热系数由未添加石墨烯时的4.900 W/(m·K)提高到12.367 W/(m·K)。综上所述, 通过液相剥离法成功制备出缺陷较少的少层石墨烯, 能够与银粉协同提高导热硅橡胶的导热系数。     

交变电场剥离氧化石墨的研究

化学还原法被认为是实现大规模生产石墨烯的主要途径之一,而剥离氧化石墨为氧化石墨烯是获得高品质石墨烯的关键步骤。采用交变电场剥离氧化石墨,研究了电压U、频率f和电极间距d对剥离结果的影响。结果表明氧化石墨烯的厚度和横向尺寸随着电压的增大而减小,随着频率的增大而增大;在电压能满足剥离效果的前提下,随着电极间距的增大,氧化石墨烯的厚度和横向尺寸呈减小趋势。     

腐植酸/石墨烯复合材料的制备及其电化学性能

采用从褐煤中提取的腐植酸和天然石墨制得的氧化石墨烯为原料,通过水合肼加热还原法合成腐植酸/石墨烯复合材料。利用XRD、Raman、SEM和电化学测试对复合材料的形貌、微观结构和电化学性能进行表征。结果表明腐植酸均匀分散在石墨烯片层间形成夹心多孔骨架结构,可缩短电解质传播和运输路径。复合材料HRGO-0.1在电流密度为50 mA/g时表现出高的比电容(185 F/g),低的电阻率,良好的电容倍率。     

高浓度石墨烯水分散液的制备与表征

利用高压均质液相剥离法,以鳞片石墨为原料,水为介质,制备高浓度石墨烯水分散液。采用紫外可见光谱研究表明活性剂浓度、高压均质压力和循环次数对石墨烯水分散液浓度C_G的影响。通过拉曼光谱、扫描电镜、透射电镜、激光粒度仪分析水分散液中石墨烯的结构和形貌。结果表明:通过调节各工艺参数,获得了浓度为324.3mg·L^-1的石墨烯水分散液,所得浓度是超声液相剥离法的10倍;石墨烯水分散液中石墨烯缺陷少、厚度薄、片径大,具有良好的品质;将所得石墨烯分散液制备石墨烯自支撑膜,其电导率可达3.2×10~4S·m^-1。     

添加剂对聚吡咯/氧化石墨纳米复合材料结构和性能的影响

采用单体原位聚合法制备了三种聚吡咯/氧化石墨纳米复合材料。通过XRD、FT-IR和TEM对产物进行结构表征,探讨了未加添加剂及分别以N aOH和十二烷基苯磺酸钠为添加剂制得的聚吡咯/氧化石墨纳米复合材料的结构与性能的差别。结果表明,未加添加剂和以N aOH为添加剂时产物为非晶态的剥离型聚吡咯/氧化石墨纳米复合材料;而以十二烷基苯磺酸钠为添加剂时可得到具有层状有序结构的插层型聚吡咯/氧化石墨纳米复合材料。插层型聚吡咯/氧化石墨纳米复合材料的导电和电化学性能优于剥离型聚吡咯/氧化石墨纳米复合材料,它们的提高归因于聚吡咯分子链共轭程度的增加。