石墨烯导电膜还原工艺研究论文

氧化-还原法是指将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨(GO)，经过超声分散制备成氧化石墨烯(单层氧化石墨)，加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团，如羧基、环氧基和羟基，得到石墨烯。氧化石墨的方法主要有三种：第一种是Hummers法，第二种是Brodietz法[2]，第三种是Staudenmaier法，他们首先均是用无机强质子酸例如浓H2SO4、发烟HNO3或者它们的混合物处理原始的石墨粉原料，使得强酸小分子进入到石墨层间，而后用强氧化剂(如高锰酸钾、KClO4等)氧化。三种方法相比，Staudemaier法得到的氧化石墨的层结构受到严重破坏，原因是采用浓H2SO4和发烟HNO3混合酸处理了石墨，Hummers法具有很高的安全性，且可得到带有褶皱的氧化石墨的片层结构，并含有丰富的含氧官能团，在水溶液中分散性很好，对于此方法，许多研究人员也做了很大的改善。目前为止，常用来制备氧化石墨烯的一种方法就是采用改进的Hummers法。这里以其中的一种改进的Hummers法为例，来说明氧化石墨在制备过程中各项参数对产物的影响。

氧化石墨烯是一种性能优异的新型碳材料，具有较高的比表面积和表面丰富的官能团。氧化石墨烯复合材料包括聚合物类复合材料以及无机物类复合材料更是具有广泛的应用领域，因此氧化石墨烯的表面改性成为另一个研究重点。中国科学院上海应用物理研究所发现将氧化石墨烯应用于PCR技术中，可显著提高PCR的特异性、灵敏度和扩增产量，并可消除扩增中形成的引物二聚体，且优化区间广，可广泛适用于各种浓度和复杂程度的DNA模板。与其他已应用于PCR技术中的碳纳米材料相比，氧化石墨烯对PCR的优化具有更加优异的综合效果。相信很多研究生进入实验室的第一课就是氧化石墨烯制备，制备氧化石墨烯真是一个巨大的工程，其中涉及了各种复杂参数的调控，可谓经历了九九八十一难，方能制备出理想的氧化石墨烯。

石墨烯是一种由碳原子以 sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料.石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光;导热系数高达530OW/(m·K),高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率超过15000cm2/(V·s),又比纳米碳管或硅晶体高,而电阻率只约10-6Q·cm;比铜或银更低,为世上电阻率最小的材料.因为它的电阻率极低,电子跑的速度极快,因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管. 石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮.它不仅是已知材料中最薄的一种,还非常牢固坚硬;作为单质,它在室温下传递电子的速度比已知导体都快.石墨烯在原子尺度上结构非常特殊,必须用相对论量子物理学才能描绘,同时,石墨烯结构非常稳定,迄今为止,研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况.石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔切,当施加外部机械力时,碳原子面就弯曲变形,从而使碳原子不必重新排列来适应外力,也就保持了结构稳定. 石墨烯的微观结构呈现微观的二维结构,二维层状材料因其独特的层内原子连接方式,表现出显着的电子离域行为,由此带来了出众的物理和化学性质.团簇具有确定的原子数与明确的结构,是一类介于原子/分子与纳米晶体之间的凝聚态物质,团簇的亚纳米尺寸使得单分子级别的作用力即可主导其自组装行为,可作为"超级原子"构建全新的亚纳米尺度低维材料体系.团簇电子结构、化学性质与原子/分子有类似性,团簇组装体作为一类"超级分子",其中电子可能被多个团簇所共享,对于高度有序的二维团簇组装体,电子在具有相同化学环境的团簇间的离域行为,可能带来异乎寻常的电子结构和催化性质.基于此,清华大学化学系王训课题组首次报道了一类基于多金属氧簇(POM)的新型类石墨烯材料——"团簇类烯".与以往二维材料体系以原子、分子为结构基元不同,该团簇类烯以亚纳米尺度的团簇为结构基元,构筑了一类新型的亚纳米二维材料体系.团簇类烯对于烯烃催化环氧化反应,在催化活性和稳定性方面均显示出极大的提升,其转换频率(TOF)是未组装团簇基元的76.5倍.离散傅里叶变换(DFT)计算结果显示,团簇间的电子离域行为有效的降低了材料参与氧化还原反应的活化能,从而造成了催化活性的显着提升.13种不同元素取代的Keggin型团簇均可用于团簇类烯的构建.本研究揭示了团簇类烯材料独特的电子结构、出众的催化性质和良好的结构普适性,有望启发基于团簇的新材料的设计与合成. 石墨烯和强激光组合打开了极高能离子加速的大门,对激光驱动的离子加速的研究是为了开发一种紧凑和高效的基于等离子体的加速器,它适用于癌症治疗、核聚变和高能物理.大阪大学的研究人员与日本国家量子科学技术研究所(QST)、神户大学和台湾中央大学的研究人员合作,报告了在日本QST的关西光子科学研究所用超强的J-KAREN激光器照射世界上ZUI薄和ZUI强的石墨烯靶材而直接进行高能离子加速.他们的研究结果发表在《Springer Nature》的《科学报告》上. 在激光离子加速理论中,更薄的靶材需要更高的离子能量.然而,由于强激光的噪声成分在到达激光脉冲的主峰之前就破坏了目标,所以一直很难直接用极薄的靶体来加速离子.在这种状况下有必要使用等离子体反射镜,它可以消除噪声成分,以实现强激光的有效离子加速. (a) 实验示意图.通过用超强的J-KAREN激光照射大面积的悬浮石墨烯目标(LSG),产生高能离子.(b)和(c)分别显示了石墨烯的拉曼光谱和显微镜图像.(d)和(e)分别显示了使用固态路径跟踪器和汤姆逊抛物线光谱仪(TPS)的堆栈检测器的示意图.(g)和(f)分别显示了TPS和堆栈的典型数据. 因此,研究人员开发了大面积悬浮石墨烯(LSG)作为激光离子加速的目标.石墨烯被称为世界上ZUI薄和ZUI强的二维材料,它适合于激光驱动的离子源.原子级薄的石墨烯是透明的,高度导电和导热,而且重量轻,同时也是最强的材料,到目前为止,石墨烯已经得到了各种的应用,包括在交通、医药、电子和能源等方面.同时我们也展示了石墨烯在激光-离子加速领域的另一个颠覆性应用,其中石墨烯的独特功能发挥了不可或缺的作用. 石墨烯的应用 1、电子信息领域 电子信息领域是石墨烯最重要的应用领域.该领域的产业化决定着石墨烯的真正价值和无可替代性.目前研究热点在石墨烯传感器、石墨烯柔性电子器件、石墨烯逻辑电路等. 01、石墨烯传感器 在电子技术中,电信号一般更容易处理.传感器可以将气体、光、力等各种信号转换成电信号.石墨烯独特的能带结构具有优异的电学性质.石墨烯原子裸露在表面上,其电子态很容易受到外界信号的改变而改变,从而导致电学性质的变化,通过电信号来体现.这种特性使石墨烯在传感器领域能发挥巨大的作用. 02、 石墨烯柔性电子器件 当下电子设备,尤其是智能手机,未来的发展方向都是是折叠和卷曲.石墨烯作为超薄柔性的二维材料,具有优异的力学性质,同时兼具超高载流子迁移率和透光性,是一种理想的柔性透明导电薄膜材料,可以用作新一代柔性触控屏. 03、 石墨烯逻辑电路 逻辑电路是计算机、数字控制、自动化等诸多领域的基础,利用二进制运算规则,实现逻辑运算.简单来说,我们需要利用电路的开和关来控制计算机实现不同的功能.计算机运算的快慢决定于电路材料的载流子迁移率.石墨烯具有极高的载流子迁移率,有希望用来制造下一代超快集成电路. 2、储能领域 01、 石墨烯锂离子电池 锂离子电池通过锂离子在电池的正负极之间来回移动来实现电能的存储和释放.理论上,石墨烯可以作为活性材料来直接储存锂离子,也可以作为导电材料来辅助电池的性能.实际中,石墨烯直接储存锂离子的能力不能达到实际使用需求.所以更多的是作为导电剂来提高电化学效率. 02、石墨烯超级电容器 超级电容器和锂离子电池一样,也可以储存和释放电能.超级电容器的储存单位电量较少,但可以瞬间提供大量的电量,所以可以满足需要瞬间大功率放电的需求.石墨烯/金属氧化物复合材料利用石墨烯作为金属氧化物的载体,使其在纳米尺度分散,可用于赝电容器中的电极活性材料.导电性、机械稳定性、和电化学性能都得到了提高. 03、 石墨烯固态储氢 传统的氢气储运主要通过高压气态法或低温液态法实现,高压气态法对容器质量要求高、容易造成氢气的泄露,安全性低.低温液态法需要将氢气冷却至-200 以下,成本昂贵,经济性差导致适用范围小.同时这两种方法都必须使用笨重的罐体来承压或保温,造成了巨大的有效质量损失,导致总储氢密度大幅降低.石墨烯界面纳米阀固态储氢材料,以高活性轻金属氢化物为原材料,在不同组分界面建立石墨烯界面纳米阀结构,通过界面纳米阀非催化动力学调控机制实现储氢材料安全、可控、低温稳定释氢. 3、复合材料领域 石墨烯是目前力学强度最高的材料,其弹性模量高达1TPa,拉伸强度高达180GPa,被认为是增强材料力学性能的理想添加剂.仅仅较小的石墨烯添加量,材料的韧性、强度、和刚度等力学性能得到显着的提升. 01 、石墨烯/高分子聚合物复合材料 02、 石墨烯/无机非金属复合材料 无机非金属材料本身已经具有较高的刚性和强度,石墨烯主要起到增韧性或组织裂纹增长的作用.之前的研究主要集中在石墨烯陶瓷复合增强材料和石墨烯碳纤维复合增强材料.现在已经向建筑行业逐渐转变,出现石墨烯增强水泥、石墨烯增强玻璃等.

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。

其亲水性被广泛认知。经过氧化处理后，氧化石墨仍保持石墨的层状结构，但在每一层的石墨烯单片上引入了许多氧基功能团。这些氧基功能团的引入使得单一的石墨烯结构变得非常复杂。鉴于氧化石墨烯在石墨烯材料领域中的地位，许多科学家试图对氧化石墨烯的结构进行详细和准确的描述，以便有利于石墨烯材料的进一步研究，虽然已经利用了计算机模拟、拉曼光谱，核磁共振等手段对其结构进行分析，但由于种种原因(不同的制备方法，实验条件的差异以及不同的石墨来源对氧化石墨烯的结构都有一定的影响)，氧化石墨烯的精确结构还无法得到确定。大家普遍接受的结构模型是在氧化石墨烯单片上随机分布着羟基和环氧基，而在单片的边缘则引入了羧基和羰基。最近的理论分析表明氧化石墨烯的表面官能团并不是随机分布，而是具有高度的相关性。氧化石墨烯一般由石墨经强酸氧化而得。主要有三种制备氧化石墨的方法：Brodie法，Staudenmaier法和Hummers法。其中Hummers法的制备过程的时效性相对较好而且制备过程中也比较安全，是目前最常用的一种。它采用浓硫酸中的高锰酸钾与石墨粉末经氧化反应之后，得到棕色的在边缘有衍生羧酸基及在平面上主要为酚羟基和环氧基团的石墨薄片，此石墨薄片层可以经超声或高剪切剧烈搅拌剥离为氧化石墨烯，并在水中形成稳定、浅棕黄色的单层氧化石墨烯悬浮液。由于共轭网络受到严重的官能化，氧化石墨烯薄片具有绝缘的特质。经还原处理可进行部分还原，得到化学修饰的石墨烯薄片。虽然最后得到的石墨烯产物或还原氧化石墨烯都具有较多的缺陷，导致其导电性不如原始的石墨烯，不过这个氧化−剥离−还原的制程可有效地让不可溶的石墨粉末在水中变得可加工，提供制作还原氧化石墨烯的途径。而且其简易的制程及其溶液可加工性，考虑量产的工业制程中，上述工艺已成为制造石墨烯相关材料及组件的极具吸引力的工艺过程。时至今日，制备氧化石墨烯新方法已经层出不穷了，大体上分为自顶向下方法和自底向上方法两大类。前者的思路是拆分鳞片石墨等制备氧化石墨烯，以传统三方法的改进方法为代表，还包括拆分（破开）碳纳米管的方法等等。后者是用各种碳源合成的方法，具体方法五花八门，种类繁多。