淺談石墨烯復(fù)合材料的研究進(jìn)展

張偉

摘要：石墨烯擁有特殊的二維結(jié)構(gòu)，自身性能也比較優(yōu)良，正成為近年來材料領(lǐng)域研究的熱門。其中，石墨烯復(fù)合材料屬于當(dāng)前石墨烯重點(diǎn)的研究課題。本文就石墨烯復(fù)合材料主要類型、制備、應(yīng)用進(jìn)行簡單的介紹，以供參考。

關(guān)鍵詞：石墨烯;復(fù)合材料;制備;性能

石墨烯屬于一種原子晶體，由英國科學(xué)家于2004年制備出來的。迄今為止它屬于人類已知的最薄材料，厚度僅為0.3354nm。由于獨(dú)特的單原子層結(jié)構(gòu)以及新奇的物理特性使石墨烯成為近年來材料學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。伴隨可化學(xué)修飾石墨烯的出現(xiàn)，由于成本低廉人們可生產(chǎn)出各種石墨烯復(fù)合材料。本文就石墨烯復(fù)合材料最新研究進(jìn)展進(jìn)行論述。

1、石墨烯的概述

這種物質(zhì)是單層碳原子構(gòu)成的，結(jié)構(gòu)為二維型，也是制備其它維石墨材料的主要材料。它能夠包裹構(gòu)成零維富勒烯，卷起來構(gòu)成一維碳納米管，通過層層堆積可構(gòu)成三維石墨。其主要體性就是獨(dú)特的載流子特性。它是當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的電阻率最低的材料，其內(nèi)部電子運(yùn)輸時(shí)具有非常強(qiáng)的抗干擾性能，若為室溫條件，它的電子遷移率非常大，大于15000cm2/（V.S）。對(duì)于單層石墨烯來說，載流子遷移率極少受到化學(xué)摻雜與溫度的干擾。此外，它還具有一些特殊的物理性能，包括室溫下的量子霍爾效應(yīng)、較長的電子平均自由路徑、較強(qiáng)的熱傳導(dǎo)性與機(jī)械強(qiáng)度等。石墨烯的生產(chǎn)成本便宜，加之比表面積較大，非常適合開發(fā)高性能復(fù)合材料。

2、石墨烯/無機(jī)復(fù)合材料

石墨烯/無機(jī)納米復(fù)合材料的制備原理是在石墨烯納米片表面分散無機(jī)材料。這種復(fù)合材料中石墨烯片層距離變大，原因還是無機(jī)納米粒子的影響，進(jìn)而使石墨烯片層間的相互作用變小。這樣就能保留下單層石墨烯的特有性質(zhì)。為阻礙石墨烯片發(fā)生團(tuán)聚，可通過無機(jī)納米粒子對(duì)石墨烯片進(jìn)行修飾。由此得到的復(fù)合材料繼承了石墨烯以及納米粒子的特性，而且也能形成新的協(xié)同效應(yīng)，應(yīng)用價(jià)值較高。

2.1石墨烯與金屬復(fù)合

制備這種復(fù)合材料只需把金屬納米粒子分散于石墨烯片上。它繼承了石墨烯比表面積較大的特性，多用作催化劑載體。同時(shí)，該材料的特有電子性能也有助于提高催化劑活性。目前，主要的負(fù)載金屬包括金、銀、鈀、鉑等。這些復(fù)合材料比金屬本身性能更優(yōu)，而且也能減少貴金屬的用量，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2.2石墨烯與金屬化合物復(fù)合

這類石墨烯復(fù)合材料多用于超級(jí)電容器、鋰電池、光催化等領(lǐng)域。與金屬氧化物復(fù)合，常見的包括與二氧化鈦（TiO2）復(fù)合，TiO2作為常見半導(dǎo)體材料，價(jià)格便宜、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、催化活性好、無毒、反應(yīng)條件溫和，可以清除水與大氣中的污染物。因此，它成為解決環(huán)境與能源問題的最佳材料，主要用于太陽能電池、傳感器、光催化等行業(yè)。清華大學(xué)李景虹等人通過水熱法合成了TiO2：（P25）/石墨烯復(fù)合材料，對(duì)染料的吸附性極強(qiáng)，同時(shí)，對(duì)光吸收范圍也進(jìn)一步擴(kuò)展[1]。石墨烯與氧化鋅（ZnO）復(fù)合，ZnO的光學(xué)性能與電性能較好，而且UV光譜吸收區(qū)間較寬，被廣泛用于發(fā)光二極管、太陽能電池、相關(guān)氣敏元件等領(lǐng)域。同時(shí)，ZnO對(duì)有毒化學(xué)物質(zhì)具有高敏感性，可判定有無有毒化學(xué)物質(zhì)存在，然后對(duì)其予以降解。Park等經(jīng)過研究獲得了一種新復(fù)合材料，即石墨烯/ZnO納米棒陣列的復(fù)合材料，這種材料能夠輕易地被轉(zhuǎn)移至其它基底上[2]。

2.3石墨烯與非金屬材料復(fù)合

Yan等人制備出石墨烯納米片/碳黑復(fù)合材料，采用的方法是超聲波與原位還原法。研究顯示，經(jīng)處理后納米片邊緣部分表面可見大量碳黑離子匯集，經(jīng)過原位還原后這些離子在納米片的基部聚集。相對(duì)于純石墨烯材料，這種復(fù)合材料具有更好的電化學(xué)性能[3]。因此，逆電流器可由碳黑粒子扮演，可以保證該復(fù)合材料的納米通道高的電化學(xué)利用。石墨烯/碳黑可用于制作超級(jí)電容器，當(dāng)掃描速率是10mV/s時(shí)，比電容為175F/g，而純石墨烯材料的只有122.6F/g。另外，當(dāng)循環(huán)次數(shù)為6000次后其電容量僅減少了少部分，僅減少了最初電容量的9.1%。可見，石墨烯/碳黑這種材料在超級(jí)電容領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。

3、石墨烯與聚合物的復(fù)合

由于石墨烯與不同聚合物的復(fù)合作用存在差異，可將石墨烯聚合物復(fù)合材料劃分為下列三種：

3.1石墨烯填充聚合物復(fù)合材料

在選取填充物時(shí)，石墨烯通常可用于代替碳納米管，其復(fù)合材料制備主要受到兩大因素的影響，分別是分散性、與聚合物基體的相互作用。目前，這類材料的制備手段包括原位聚合、溶液混合、熔融共混等。其中，溶液混合法所獲得復(fù)合材料具有良好的分散性，而且力學(xué)性能也非常好。不過此法的缺陷在于分散液成本較高，且無法獲得單層石墨烯分散液。相較之下，熔融共混法更具優(yōu)勢，不僅可以獲得質(zhì)量更好的復(fù)合材料，而且簡單經(jīng)濟(jì)。但是很多工業(yè)級(jí)的聚合物具有高粘度的特點(diǎn)，在石墨烯/工程塑料復(fù)合材料生產(chǎn)領(lǐng)域難以大量推廣。原位聚合法則沒有這一局限性。Huang等人通過原位聚合法獲得的聚烯烴/石墨烯納米復(fù)合材料，具有良好的導(dǎo)電性能，電導(dǎo)率高達(dá)163.1S/m[4]。

3.2功能化聚合物復(fù)合材料

這類復(fù)合材料是由石墨烯與相關(guān)衍生物所制備而成的，經(jīng)過聚合物修飾作用，利用共價(jià)或非共價(jià)功能所形成。就石墨烯衍生物來說，它的共價(jià)功能通常在聚合物官能團(tuán)以及氧化石墨烯表面的含氧官能團(tuán)上發(fā)生反應(yīng)。在有反應(yīng)的共價(jià)界面上能夠改良復(fù)合材料的一些特性，包括力學(xué)性能、熱學(xué)性能。Wang等人研究獲得功能化石墨烯環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，共價(jià)功能化的石墨烯界面讓該復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度增加了45%[5]。

3.3層狀石墨烯聚合物復(fù)合材料

將相關(guān)聚合物、石墨烯衍生物進(jìn)行復(fù)合處理后，就能獲得層狀結(jié)構(gòu)的材料。該復(fù)合材料多用于下列行業(yè)：光伏器件、定向負(fù)載承重膜生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]李琳，李剛.石墨烯復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].科技信息，2012，（36）：63-64.

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