淺談石墨烯材料的應用研究

部天宇 山東省實驗中學

前言

2004 年，英國曼徹斯特大學教授首次采用機械剝離法制備得到石墨烯材料。石墨烯是一種厚度僅為一個單原子層厚度的片狀二維納米材料，其晶格是由6個sp 雜化的碳原子構成，為與苯環類似的平面正六邊形結構。石墨烯材料具有優異的電學、熱學、光學和機械性能，并且具有較高的理論比表面積，其理論比表面積值高達2630m /g，石墨烯由于其優異的性能迅速成為各個領域的研究熱點。本文重點闡述了石墨烯材料在鋰離子電池、增強高分子聚合物和吸波領域的研究進展。

1 石墨烯在鋰離子電池方面的應用

石墨烯材料由于其優良的導電性在鋰離子電池領域得到了廣泛應用。Wu等人制備得到一種納米Co3O4顆粒均勻分布在石墨烯片上的復合材料，作為高性能鋰離子電池的陽極材料，所制備的Co3O4納米顆粒的直徑約為10-30nm，其在石墨烯片上的均勻分散可以有效阻止石墨烯片的團聚。這種Co3O4 /石墨烯納米復合材料具有優異的性能，包括大的可逆容量，優異的循環性能和良好的倍率性能，表明將Co3O4納米顆粒附著在石墨烯片上，可以最大限度地利用其電化學活性，同時表明石墨烯在高性能鋰離子電池儲能應用中具有較好的應用前景。

Wang等人通過兩步溶液相反應的方法制備得到還原氧化石墨烯片（RGO）上負載Mn3O4納米顆粒的復合材料。與溶液中的自由顆粒生長相比，在RGO片上選擇性生長Mn3O4納米顆粒允許電絕緣的Mn3O4納米顆粒通過下面的導電石墨烯網絡連接到集電器。由于石墨烯基底和其上生長的Mn3O4納米顆粒之間的緊密相互作用，在RGO片上的Mn3O4納米顆粒顯示出高達約900mAh/g的高比容量，接近其理論容量，同時該材料具有良好的倍率性能和循環穩定性。該Mn3O4/RGO復合材料在用于高容量、低成本和環境友好型的鋰離子電池陽極材料方面具有良好的前景。

Zhou等人通過在石墨烯納米片之間原位還原氫氧化鐵的方法來制備得到Fe3O4顆粒均勻分布于石墨烯片上的復合材料，該石墨烯納米片/Fe3O4復合材料，在35mA/g下進行30次循環后顯示出的可逆比容量接近1026mAh/g，在700mA/g下進行100次循環后顯示出的可逆比容量接近580mAh/g，該材料具有提高的循環穩定性和優異的倍率性能，可用于性能良好的鋰離子電池材料。

2 石墨烯在增強高分子聚合物方面的應用

對于制備高性能石墨烯基納米復合材料，由于石墨烯片之間具有很強的界面結合力，并且其具有很大的表面惰性，從而使石墨烯納米片在聚合物主體中的分散性和精確的界面控制非常具有挑戰性。Fang等人報道了一種功能化石墨烯納米片的有效方法。他們通過重氮加成反應將引發劑分子共價嫁接到石墨烯納米片表面，隨后的原子轉移自由基聚合，將聚苯乙烯鏈（82wt%的接枝效率）連接到石墨烯納米片上。由于石墨烯納米片的阻礙效應，與純聚合物相比，該聚苯乙烯復合材料的玻璃化轉變溫度提高了約15℃。當石墨烯添加量為0.9wt%時，該聚苯乙烯納米復合材料的拉伸強度和楊氏模量分別提高了約70%和57%，其對于優化石墨烯高分子復合材料的加工性能和界面結構提供了可行性方案。

Rafiee等人對環氧樹脂添加石墨烯納米片復合材料的機械性能進行了研究，其中添加的納米材料質量分數為0.1wt%。結果表明，石墨烯增強環氧樹脂復合材料的楊氏模量提高了約31%，拉伸強度提高約40%，斷裂韌性提高約53%。復合材料具有優異機械性能的原因為石墨烯片具有較大的比表面積，且其具有褶皺表面，因此可以與高分子機體形成較強的粘結或互鎖，同時石墨烯材料的片狀二維結構，也有利于增強復合材料的機械性能。

石墨烯納米片由于具有優異的物理和化學性能，在科學和工程領域引起了廣泛的關注。隨著簡易制備和高產率的實現，石墨烯在高分子納米復合材料方面也得到了實際的應用。Zhao等人通過一種簡易的水溶液的制備方法，得到了一種充分剝離的石墨烯納米片增強的聚乙烯醇復合材料。研究表明，當復合材料內石墨烯含量為1.8vol%時，其拉伸強度較基體增加了約150%，楊氏模量比基體提高了近10倍。通過實驗結果與楊氏模量理論模擬的對比，表明石墨烯納米片大部分隨機分散在復合薄膜中。

3 石墨烯在吸波方面的應用

石墨烯材料由于其大的比表面積以及良好的電學性能成為吸波領域的研究熱點。Xu等人通過一種簡單的溶劑熱的方法獲得了一種Fe3O4空心球負載在還原氧化石墨烯片上的復合材料，該Fe3O4空心球的外徑大約為395nm，球殼厚度約為100nm，其均勻分布在還原氧化石墨烯片的兩面。當樣品中Fe3O4/RGO的含量為30wt%，樣品厚度為2.0mm時，該樣品在12.9GHz處的最大 反射損失值為-24dB，并且其有效吸收帶寬（＜-10dB）可達4.9GHz（10.8-15.7GHz）。研究結果表明，復合材料良好的微波吸收性能，主要歸因于介電損耗和磁損耗。

Zhang等人通過一種溫和的水熱法大規模制備得到了MnFe2O4納米顆粒，隨后采用超聲處理方法制備得到RGO/MnFe2O4復合材料，并研究了RGO/MnFe2O4/PVDF復合材料的微波吸收性能。研究結果表明，當填料含量為5wt%時，復合材料吸波性能最佳。其在9.2GHz處達到最大反射損失值為-29dB，有效吸收帶寬（＜-10dB）可從8.00-12.88GHz。該復合材料優異的吸波性能主要歸因于介電損耗、磁損耗和各組分之間的協同效應。

4 結論

石墨烯材料由于具有優異的電學、熱學、光學和機械性能，使其在鋰離子電池、增強高分子聚合物和吸波等方面都取得了良好的研究成果。在下一步的研究中，對石墨烯進行改性或以石墨烯為基體制備多元復合材料的研究會越來越多，從而使石墨烯在各個領域具有更加廣闊的應用前景。