功能化石墨烯片的表面性能调控

有机功能化石墨烯的制备及其应用

有机功能化石墨烯的制备及其应用 张丽园1，2 ，姚 远 2 （1.蚌埠学院应用化学与环境工程系，安徽蚌埠233000； 2.合肥工业大学化工学院，合肥230009） 摘要：石墨烯是一种新型的二维平面纳米材料，其所具有的单原子层结构使它拥有许多新奇的特性，从2004年被发现以来，引起了科学界的高度重视，目前已成为了材料学、物理学、化学等学科领域的研究热点。然而由于石墨烯易于团聚堆积成石墨，不能均匀的分散在基体中，这很大程度上限制了它的应用。为了将石墨烯与其它物质有效复合，充分发挥其在电子学、生物医学、催化、传感器、储能等领域的优良特性，对其进行功能化改性是有效的方法之一。着重介绍了石墨烯有机功能化制备方法及其应用的最新研究进展，并对石墨烯的功能化发展方向进行了展望。 关键词：石墨烯；氧化石墨；有机功能化；表面改性 中图分类号：O6－1文献标志码：A 文章编号：1671－380X （2012）08－0016－05Preparation and Application of Organo －Functionalized Graphene ZHANG Li －yuan 1，2 ，YAO Yuan 2 （1.Department of Chemistry and Environmental Engineering ，Bengbu College ，Bengbu 233000，China ； 2.School of Chemical Engineering Hefei University of Technology ，Hefei 230009，China ） Abstract ：Graphene is a novel two －dimensional nanomaterial with a flat monolayer of carbon atoms structure ，which has contributed to its unique features.Since it had been discovered in 2004，the graphene has attracted a great deal of attention worldwide in the sciences ，and became the focus of the researches all over the world.How-ever ，the structure of the graphene has lots of limitations in the applications in compounding with other materials ，and restricted its wide usage.To materialize the prospect applications as much as possible in the field of electron-ics ，biomedicine ，catalysis ，sensors ，energy storage etc.The key is to ograno －functionalized graphene in a con-trolled way.This paper emphasized on some common preparations and the applications of organo －functionalized graphene.Besides ，the developing trend of organo －functionalizing of graphene was forecasted.Key words ：Graphene ；Graphene Oxide ；Organic Functionalize ；Surface Modification 1 引言 石墨烯是一种新型的具有单原子层结构的二维 平面纳米材料，从2004年被发现以来，引起了科学界的高度重视，目前已成为了材料学、物理学、 化学等学科领域的研究热点［1］ 。其独特的二维蜂窝状晶格结构，使其拥有许多新奇的特性，如：较高的杨氏模量（ 1100GPa ）、载流子迁移率（2?105cm 2/（V ·s ））、热导率（ 5000J /（m ·K ·s ））和比表面积（理论值2630m 2/g ），还具有分数量子霍尔效应、量子霍尔铁磁性和激子带隙等 现象 ［2］ ，这些特性使得石墨烯在纳米电子学、纳 米复合物、氢气超级电容器等领域有着广泛潜在的 应用［3］ ；其特有的单原子层结构和较大的表面积 的特性还可使其在生物医学方面得到应用［4］ 。然而理想石墨烯易团聚堆积成石墨形态，并不利于与 其它物质进行复合，使其的应用受到了大幅限制。为了解决这个问题，石墨烯的有机功能化改性是非常有效的方法，极大地拓展了石墨烯的应用领域。基于材料化学的角度，对石墨烯的表面有机改性及其应用等方面进行简要的综述。 · 61·第34卷第8期2012年8月宜春学院学报 Journal of Yichun College Vol.34，No.8Aug.2012 * 收稿日期：2012－05－31 基金项目：安徽省高等学校自然科学基金（KJ2009B212Z ）。 作者简介：张丽园（1980－），男，安徽凤阳人，博士生，主要从事绿色化学和材料学研究。

石墨烯改性

综合实践论文 题目：石墨烯改性研究进展 班级：高分子112 姓名：陈阳建 指导老师：祖立武 日期：2014年6月20日

石墨烯改性研究进展 陈阳建 齐齐哈尔大学材料学院，黑龙江齐齐哈尔10221 摘要: 结合当前国内外石墨烯改性的研究进展，分别从表面改性和电子性能改性两个方面介绍了石墨烯的改性方法。其中，石墨烯表面改性包括共价键功能化和非共价键功能化；石墨烯电子性能改性包括掺杂和离子轰击。讨论了各种改性方法的优缺点，并在原有改性方法的基础上，展望了未来石墨烯改性的发展方向。关键词: 石墨烯；改性；综述；共价键功能化；非共价键功能化；掺杂；离子轰击 Research progress in the modification of graphene Chen yangjian Materials Science,Qiqihar University ,Qiqihar in Heilongjiang 10221 Abstract: Based on the research progress of modification of graphene material at hom e and abroad, the methods of modification of graphene are introduced from the surfac e modification and the electronic properties modification, respectively. The methods o f surface modification contain the covalent functionalization and non-covalent functio nalization; the methods of electronic properties modification contain dopin g and ion b ombardment. Finally, the advantages and disadvantages of various modification met h ods are discussed, and the further development of modification of graphene is pointed out on the basis of original modification methods. Key words: graphene; modification; review; covalent functionalization; non-covalent functionalization; doping; ion bombardment

氨基功能化石墨烯吸附锂原子的理论研究

收稿日期：2013-09-30; 修回日期：2013-12-02 基金项目：四川省科技厅项目(2011JYZ018)资助 作者简介：袁文彬(1987—)，男，四川南充人，硕士在读， E-mail ：303261358@https://www.360docs.net/doc/604151425.html, 联系人：杨丽君(1976—)， 四川仁寿人，博士，E-mail ：ljyang@https://www.360docs.net/doc/604151425.html, 第31卷 第5期 2014年5月28日 计算机与应用化学 Computers and Applied Chemistry V ol.31, No.5 May 28, 2014 氨基功能化石墨烯吸附锂原子的理论研究 袁文彬，杨丽君* (西华师范大学化学化工学院, 化学合成与污染控制四川省重点实验室, 四川，南充，637009) 摘要：运用第一性原理计算方法，研究了氨基功能化石墨烯(G-NH 2)的特点及对锂原子的吸附情况。计算结果表明，G-NH 2为P 型半导体，能隙0.54 eV ，有优良的导电性能；G-NH 2层间距大于4.0 ?，不会发生类似石墨烯的聚集行为，具有更好的稳定性。分析单个锂原子在石墨烯(G)和G-NH 2上的吸附，结果表明G 对锂的吸附能为-1.77 eV ，锂所带电荷为0.552; G-NH 2对锂的吸附能为(-2.43 ~ -3.51) eV ，锂所带电荷为0.546 ~ 0.639。因而G-NH 2对锂吸附作用更强、电荷转移性能更好。对比多个锂原子在G 与G-NH 2上的吸附，G-NH 2比G 对Li 吸附强且吸附量更大。以上计算结果表明，与本征石墨烯相比，G-NH 2对锂原子有更强吸附作用，电荷转移性能更佳，储锂量更大。 关键词：石墨烯； 氨基功能化；储锂；电极材料 中图分类号：O641 文献标识码：A 文章编号：1001-4160(2014)06-719-723 DOI: 10.11719/com.app.chem20140617 1 引言 2004年，英国曼彻斯特大学Geim 教授研究组首次发现并制备了石墨烯(G)[1]。石墨烯因具有独特的二维结构及新奇的物理、化学、生物特性而引起了广泛的国际关注并成为新材料领域的研究热点，在电子、信息、能源、材料和生物医药等领域有良好的应用前景[2-8]。 近几年，研究人员已经证明石墨烯是一种优异的锂离子电池电极材料[9-12]。Suzuki 等通过分子轨道计算提出了石墨烯作为电极材料的理想储锂结构, 即石墨烯层间距为(7.7~8.3) ? 时，锂离子能以双层的形式存在于石墨烯层间，从而使电极达到最佳导电效果[13]。但这种理想结构难以形成，因为单层石墨烯之间容易相互作用形成双层甚至多层(此时石墨烯层间距小于4.0 ?)石墨烯，从而导致石墨烯电极导电能力降低。此外，结构完整的石墨烯化学稳定性高、表面呈惰性状态，因此在水及常见有机溶剂中难于分散。而且最近研究表明，石墨烯质轻且有毒[14-15]，若使用不慎或锂电池破损泄漏，将对环境与生物造成重大危害。鉴于此，对石墨烯进行有效地修饰和功能化，改善石墨烯材料的各项性能(如分散性、溶解性及导电性等)[16]，获得具有特殊形貌和微观结构的电极材料和减小其生物和环境毒性显得尤为重要。 目前，对石墨烯的功能化主要分为共价键功能化和非共价键功能化，其中，共价键功能化研究较为广泛[17]。在石墨烯的众多共价键功能化中，氨基功能化属于比较重要的一种。Sunil K 、Singh 、Yizhe Hu 等研究人员利用氧化石墨烯(GO)分别与乙二胺，4,4′-二氨基二苯醚，4,4′-氨苯砜和二甲基甲酰氨等反应，成功合成了各种氨基功能化的氨基石墨烯[14,18-19]。与G 相比，这些氨基石墨烯的界面相容性有了明显的提高，热稳定性、机械性能等 也均有较大改善。更重要的是，氨基石墨烯相对于G 以及GO 等纳米材料而言，无生物毒性，更加安全环保，因而有更大的应用前景。 目前，氨基石墨烯在复合材料、生物医学等方面的应用有较多研究，但在锂电池电极材料方面的研究还未见报导。鉴于此，为探索氨基修饰对石墨烯结构的影响及氨基石墨烯电极材料的储锂性能，本文采用第一性原理研究氨基(-NH 2)修饰对石墨烯的空间结构、电子性能及储锂效能的影响，以期为石墨烯锂电池电极材料改性及储锂材料研究提供参考。 2 计算细节 2.1 计算模型 对G 和G-NH 2的几何优化、电子特性及对Li 的吸附性能的模拟计算均在4×4×1石墨烯超级胞、共32个C 原子的基础上进行。相邻层间距设定为17 ?，以避免双层之间的相互影响。对多个Li 在G-NH 2上的吸附位点设置，我们参考了Ataca C 的相关研究[28]。对于G-NH 2空间稳定性的模拟计算，则基于3×3×1石墨烯超级胞、共30个C 原子上进行，并对边界进行氢化处理。 2.2 计算方法 采用密度泛函理论(DFT)平面波鹰势方法，交换相关势能采用广义梯度近似(GGA)中的PBE (Perdew –Burke –Ernzerhof )来处理[20]，使用自旋不受限制的Dmol3模块来 完成相关计算[21-22] 。布里渊区K 点设置为9×9×1。基组设定选择DNP ，并用All Electron 方法处理内核电子，收敛公差的品质选择Fine 。在模拟G-NH 2吸附Li 原子时，sme-aring 值设为0.01 Ha 、最大迭代次数选择100以保证收敛。为了计算相关吸附能，我们采用以下公式：

功能化石墨烯的生物医药应用研究

功能化石墨烯的生物医药应用研究 张海燕1, 2，邬伟魁1，杨明1, 3* 1. 江西中医学院现代中药制剂教育部重点实验室，江西南昌 330004 2. 西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室，四川成都 610003 3. 成都中医药大学，四川成都 611137 摘要：从2004年被发现至今，石墨烯这种特殊的纳米材料的研究和应用备受关注。石墨烯的功能化是其进一步加工以充分发挥其优良性质的基础。石墨烯的生物医药应用还处在探索阶段，如何根据实际需求对功能化石墨烯进行生物相容性、药物载体、生物检测等研究是极富挑战的工作。重点阐述了石墨烯在生物医药领域应用的最新研究进展，并对其发展作了展望。关键词：石墨烯；功能化；生物医药；纳米材料；药物载体 中图分类号：R283 文献标志码：A 文章编号：0253 - 2670(2011)06 - 1235 - 04 Application of functionalized graphene materials in biomedicine ZHANG Hai-yan1, 2, WU Wei-kui1, YANG Ming1, 3 1. Key Laboratory of Modern Preparation of Traditional Chinese Medicine, Ministry of Education, Jiangxi University of Traditional Chinese Medicine, Nanchang 330004, China 2. Key Laboratory of Advanced Technology of Materials, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610003, China 3. Chengdu University of Traditional Chinese Medicine, Chengdu 611137, China Key words: graphene; functionalization; biomedicine; nanomaterials; drug carrier 2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈?海姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯（graphene）。由于他们在二维石墨烯材料的开创性研究，共同获得2010年度诺贝尔物理学奖。石墨烯为“单层石墨片”，是构成石墨的基本结构单元；而碳纳米管（carbon nanotubes）是由石墨烯卷曲而成的圆筒结构。石墨烯的研究受碳纳米管相关研究的启发，其发展历程与碳纳米管相似。在碳纳米管被发现之前，碳的晶体结构主要有3种：石墨（graphite）、金刚石（diamond）和富勒烯（fullerene）。由于石墨烯具有性能优异、成本低廉、可加工性好等众多优点，人们普遍预测石墨烯在电子、信息、能源、材料和生物医药等领域具有重大的应用前景，可望在21世纪掀起一场新的技术革命[1]。 纳米医药是使用纳米结构的物质来诊断和治疗疾病的科学。人们常选择特殊给药途径（如口服、脉管或瘤内给药），将纳米物质安全有效地传递到靶器官发挥其应有的作用。作为药物载体、基因载体和显像剂，纳米物质可以和受损组织或瘤生长部位结合，这在未来医药领域具有较大的潜力[2-3]。石墨烯的化学稳定性高，其表面呈惰性状态，与其他介质的相互作用较弱，难溶于水及常用的有机溶剂。功能化是实现石墨烯分散、溶解和成型加工的重要手段。由于分子表面具有很多亲水性官能团，且表面积较大，石墨烯氧化物（graphene oxide，GO）可以极细小的颗粒悬浮于水溶液或生理环境体系，或应用于注射剂的研究。GO在水中具有较好的溶解性，但其还原产物容易发生聚集，并且很难再次分散；功能化GO可有效增强其稳定性。虽然困难重重，近年来，石墨烯的生物医药应用还是取得了一定的进展，为今后的研究奠定了基础。本文重点阐述了石墨烯在生物医药领域应用的最新研究进 收稿日期：2011-01-12 基金项目：中医药行业科研专项资助项目（200708006）；新药创制重大专项资助项目（2009ZX09103-393）；中药新型给药系统技术平台“十一五”重大新药创制项目（2009ZX09310-005） 作者简介：张海燕（1980—），女，河北承德人，讲师，在读博士研究生，从事中药新辅料、新工艺、医用材料研究。 Tel: (0791)7119010 E-mail: haiyansl@https://www.360docs.net/doc/604151425.html, *通讯作者杨明 Tel: (0791)7118658 E-mail: yangming16@https://www.360docs.net/doc/604151425.html,

石墨烯磺酸功能化实验方案

实验方案备注 （1）4-磺酸基-氟硼酸重氮苯的合成 S1：称取17.3g4-磺胺酸（0.1 mol）固体溶于100ml蒸 馏水中后 S2: 将31.8 mL氟硼酸水溶液 (40 wt %, 0.2mol) 缓缓逐 滴加入磺胺酸水溶液中。将混合溶液冷却至0℃。 S3：维持恒温5℃，将7.0 g亚硝酸钠（100mmol）溶于 蒸馏水中，缓缓加入上步所得溶液中。添加完成，持 续搅拌2h。 S4：抽滤收集白色沉淀，再用乙醚洗涤数次。将白色 沉淀冷冻干燥和储存。 时间：2.5h （2）GP-SO3H（DS=1.21）的合成 S1：称取0.6g石墨烯粉末（GO，约0.05mol）,其分散于500mL蒸馏水中. 使用5 wt %的碳酸钠水溶液调节其PH值至9左右。(5.26gNa2CO3,溶于100ml水中) S2：将调整过得溶液进行轻微的超声处理30min。将GO溶液用离心机分离30min以移除未反应的石墨，转速为2000rpm。 S3：称量3.9g硼氢化钠（0.1 mmol）溶于10mL蒸馏水中，将其加入GO的水溶液中，在70℃下反应1h。抽滤，使用蒸馏水洗涤直至其PH值达到7。 S4：将部分还原的GO重新分散到500mL的蒸馏水中，使用轻微声波震荡30min。使用冰浴将其冷却至室温。 S5：称取0.68 g(2.5mmol)制得的4-磺酸基-氟硼酸重氮苯，溶于10mL蒸馏水中，将其缓缓逐滴加入S4得到的溶液中，在室温下搅拌6h。反应溶液使用声波处理10min称量+30min 分散+1h预还原+2h 抽滤+30min分散+12h偶合+2h抽滤+完全还原24h

30min。再称取0.68g(2.5mmol)制得的4-磺酸基-氟硼酸重氮苯重复上述步骤。 S6：反应完成后，使用5 wt % 的碳酸钠水溶液调节PH 值至10以上，伴随添加有沉淀生成。将沉淀过滤出，并用蒸馏水（水）和乙醇洗涤，即可得到GO-SO3H。S7：将GO-SO3H 重新分散在500mL的蒸馏水中，再加入水合肼(5060%, 32 mL)，在 120℃下充分还原 24 h。这步中磺酸基的存在使得石墨烯能够很好分散在水中。再使用5 wt % 的碳酸钠水溶液调节PH值至10以上，过滤得到沉淀，用水完全洗涤，冷冻干燥得到GP-SO3H (1.19 g)。 （3）GP-SO3H纳米纸的制备 S1：将所需量的GP-SO3H分散在水中，使用超声处理。然后使用离心机（2000 rpm）去除不溶的杂质。通过带有400 nm 规格孔隙的PC膜抽滤得到数百纳米至30μm左右的，并自然风干。 S2：从过滤器上将独立的纳米纸剥离，在真空炉中在250℃下进行热处理24h。即可得到可用的GP-SO3H纳米纸。 （4）石墨烯化学键合镀层 S1：将基片预先放置在装有GP-SO3H纳米纸碎片的反应炉中。为防止硅橡胶残余的灰污染基片表面，高温硅橡胶被放置在反应炉预先设定的位置。 S2：将反应炉中抽真空，然后在30min内迅速将温度从室温升至500℃。关闭真空抽取，然后在20min内将温度再次迅速升至1000℃。 S3：管内有气体产生，反应炉内的压力会逐渐升高至大气压，将真空阀转接Ar进气口。将炉中尽快清理干

石墨烯在复合材料中的应用

石墨烯在复合材料中的应用 龚欣 （东南大学机械工程学院南京211189） 摘要：介绍了石墨烯与有机高聚物、无机纳米粒子以及其它碳基材料的复合物，同时展望了这些材料在相关领域中的应用前景． 关键词：石墨烯纳米复合材料 2004年至今, 关于石墨烯的研究成果已在SCI检索期刊上发表了超过2000篇论文, 石墨烯开始超越碳纳米管成为了备受瞩目的国际前沿和热点．基于石墨烯的纳米复合材料在能量储存、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出许多优良性能，具有广阔的应用前景．目前研究的石墨烯复合材料主要有石墨烯/聚合物复合材料和石墨烯/无机物复合材料两类，其制备方法主要有共混法、溶胶-凝胶法、插层法和原位聚合法.本文将对石墨烯的纳米复合材料及其性能等方面进行简要的综述． 一、基于石墨烯的复合物 利用石墨烯优良的特性与其它材料复合可赋予材料优异的性质．如利用石墨烯较强的机械性能，将其添加到高分子中，可以提高高分子材料的机械性能和导电性能；以石墨烯为载体负载纳米粒子，可以提高这些粒子在催化、传感器、超级电容器等领域中的应用． 1.1 石墨烯与高聚物的复合物 功能化后的石墨烯具有很好的溶液稳定性，适用于制备高性能聚合物复合材料．根据实验研究，如用异氰酸酯改性后的氧化石墨烯分散到聚苯乙烯中，还原处理后就可以得到石墨烯-聚苯乙烯高分子复合物．该复合物具有很好的导电性，添加体积分数为1%的石墨烯时，常温下该复合物的导电率可达0.1S/M，可在导电材料方面得到的应用． 添加石墨烯还可显著影响高聚物的其它性能，如玻璃化转变温度(Tg)、力学和电学性能等．例如在聚丙稀腈中添加质量分数约1%的功能化石墨烯，可使其Tg 提高40℃．在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中仅添加质量分数0.05%的石墨烯就可以将其Tg提高近30℃．添加石墨烯的PMMA比添加膨胀石墨和碳纳米管的PMMA具有更高的强度、模量以及导电率．在聚乙烯醇（PVA）和PMMA中添加质量分数0.6% 的功能化石墨烯后，其弹性模量和硬度有明显的增加．在聚苯胺中添加适量的氧化石墨烯所获得的聚苯胺-氧化石墨烯复合物的电容量（531F/g）比聚苯胺本身的电容量（约为216F/g）大1倍多，且具有较大的拉伸强度（12.6MPa）．这些性能为石墨烯-聚苯胺复合物在超级电容器方面的应用创造了条件． 石墨烯在高聚物中还可形成一定的有序结构．通过还原分散在Nafition膜中

石墨烯复合材料的制备及其性能研究进展

石墨烯复合材料的制备及其性能研究进展

论文 题目: 石墨烯复合材料的制备 及其性能研究进展学生姓名: 学号： 院（系）：化工与制药工程系专业班级： 指导教师： 职称： 201 年月

石墨烯复合材料的制备及其性能研究进展 摘要: 石墨烯以其优异的性能和独特的二维结构成为材料领域研究热点。本文综述了石墨烯的制备方法并分析比较了各种方法的优缺点, 简单介绍了石墨烯的力学、光学、电学及热学性能。基于石墨烯的复合材料是石墨烯应用领域中的重要研究方向, 本文详细介绍了石墨烯聚合物复合材料和石墨烯基无机纳米复合材料的制备及应用，以及石墨烯复合材料的展望。 关键词:石墨烯;制备;性能;复合材料

Research Progress on Preparation and properties of graphene composite materials Abstract: Graphene has become a hot research field of material for its excellent performance and unique two-dimensional structure. This paper summarizes the method for preparing graphene and compared the advantages and disadvantages of various methods,introduces the mechanics,graphene optical,electrical and thermal properties. Composite materials based on graphene is an important research direction in the field of application of graphene,this paper introduces the preparation and application of graphene polymer composites and graphene based inorganic nano composite material,and the prospect of graphene composite materials. Key words:graphene;preparation;properties;composite materials

石墨烯复合材料的研究及其应用

石墨烯复合材料的研究及其应用 任成，王小军，李永祥，王建龙，曹端林 摘要：石墨烯因其独特的结构和性能，成为物理化学和材料学界的研究热点。本文综述了石墨烯复合材料的结构和分类，主要包括石墨烯-纳米粒子复合材料、石墨烯-聚合物复合材料和石墨烯-碳基材料复合材料。并简述石墨烯复合材料在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。 关键词：石墨烯；复合材料；纳米粒子；含能材料 Research and Application of Graphene composites ABSTRACT: Graphene has recently attracted much interest in physics,chemistry and material field due to its unique structure and properties. This paper reviews the structure and classification of graphene composites, mainly inclouding graphene-nanoparticles composites, graphene-polymer composites and graphene-carbonmaterials composites. And resume the application of graphene composites in the field of catalysis, electrochemistry, biological medicine and energetic materials. Keywords: graphene; composites; nanoparticles; energetic materials 石墨烯自2004年曼彻斯特大学Geim[1-3]等成功制备出以来，因其独特的结构和性能，颇受物理化学和材料学界的重视。石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体，是包括富勒烯、碳纳米管、石墨在内的碳的同素异形体的基本组成单元。石墨烯的制备方法主要有机械剥离法，晶体外延法，化学气相沉积法，插层剥离法以及采用氧化石墨烯的高温脱氧和化学还原法等[4-10]。与碳纳米管类似，石墨烯很难作为单一原料生产某种产品，而主要是利用其突出特性与其它材料体系进行复合．从而获得具有优异性能的新型复合材料。而氧化石墨烯由于其特殊的性质和结构，使其成为制备石墨烯和石墨烯复合材料的理想前驱体。本文综述了石墨烯复合材料的结构、分类及其在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。

功能化石墨烯的应用研究新进展

中国科学: 技术科学 2010年 第40卷 第11期: 1247 ~ 1256 https://www.360docs.net/doc/604151425.html, https://www.360docs.net/doc/604151425.html, 引用格式: Lü P, Feng Y Y, Zhang X Q, et al. Recent progresses in application of functionalized graphene sheets. Sci China Tech Sci, 2010, 53: 2311?2319, doi: 10.1007/s11431-010-4050-0 《中国科学》杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 论文 功能化石墨烯的应用研究新进展 吕鹏, 冯奕钰, 张学全, 瑀李, 封伟* 天津大学材料科学与工程学院, 天津 300072 * E-mail: weifeng@https://www.360docs.net/doc/604151425.html, 收稿日期: 2010-01-28; 接受日期: 2010-05-10 国家重点基础研究发展计划(“973”计划)(批准号: 2010CB934700)、国家自然科学基金(批准号: 50873074, 51011140072)和天津市自然科学基金(批准号: 10JCZDJC22400)项目资助 摘要 石墨烯拥有独特的二维纳米结构, 并显现出了超强的机械性能和优异的电学性能. 尽管它的研究历史很短暂, 但已经在很多领域内展现出了极高的应用价值. 为了使石墨烯在应用过程中能够很好的分散, 通常需要对其进行功能化. 石墨烯功能化的方法大体可分为2种, 即基于共价键的共价键功能化法和依靠分子间作用力的非共价键功能化法. 本文综述了功能化石墨烯(FGs)在光电材料、传感和探测器、储能材料、催化、纳米增强复合物及其他一些领域内的最新应用研究进展, 并展望了未来FGs 应用研究的发展趋势. 关键词 功能化石墨烯 光电材料 传感和探测器 储能材料 催化领域 1 引言 石墨烯作为一种拥有独特结构和优异性能的新型材料, 近几年来其理论研究、制备方法及功能化应用等都已成为国内外学者研究的热点[1, 2]. 石墨烯为单原子层二维结构, 由6个碳原子通过sp 2杂化形成的六边形环构成蜂巢状结构[3]. 作为碳元素单质, 它这种扩展的蜂巢结构是构成另外3种同素异形体的结构基石(图1), 零维的富勒烯可看作是由石墨烯弯曲 成足球状得到的, 一维的碳纳米管其主体管部分也可以看作是由石墨烯卷曲而成, 三维结构的石墨则早已被科学家们认识到是石墨烯片层(GNs)的紧密堆叠[4]. 虽然石墨烯作为概念来说并不是一个新的事物, 而且人们也不断尝试获得厚度更薄的石墨片层[5], 但直到2004年才由曼彻斯特大学Geim 领导的研究小组采用微机械剥离法(micro-mechanical cleavage)制备出了单层的GNs [6]. 这一历史性的突破很快引起了人们极大的研究热情, 近年来相关的研究也层出不穷. 图1 二维的石墨烯可以看作是构成富勒烯、碳纳米管 和石墨等同素异形体的结构基石[3, 4] 稳定的晶格结构使石墨烯在成为已知最薄二维材料的同时还是目前强度最大的材料, 拉伸模量和本征强度分别为1000和130 GPa [7, 8]. 石墨烯的柔韧

等离子体所等利用功能化石墨烯材料去除持久性有机污染物

等离子体所等利用功能化石墨烯材料去除 持久性有机污染物 但在国家政策和萤石资源的预期下,萤石价格逐步攀 升,开始引发诸多上市公司对萤石矿的疯狂争夺. 9月15日,永太科技(002326)发布公告:公司以自 有资金9800万元收购海南鑫辉矿业有限公司(下称鑫辉矿 业)70%的股权.自今年下半年以来,这已是第三家上市公 司收购萤石矿,但其间价格泡沫也油然而生. 为何一夕之间会有如此多的上市公司高价收购萤石 矿? 永太科技证券办一位人士告诉记者,收购目的主要是 通过对上游萤石矿的整合来保证公司原材料的稳定供应. "公司属于氟精细化工行业,萤石是氟化工主要原料,现在 萤石价格上涨厉害,早点收购上游矿产对企业来说不是坏 事." 由于萤石储采比下降,欧美等主要萤石消费国家和地 区萤石资源枯竭,萤石价格自去年初开始一路攀升.记者从 中国萤石专业委员会获得的数据显示,2009年10月,萤石 粉块矿出厂价为每吨1000元左右,截至今年8月底,该出 厂价已攀升到2900元至3000元之间,近两年涨幅几乎达到 2倍."正是基于这个原因,下游的氟化工企业都开始向上 游收购矿产."银河证券研究员胡昂告诉记者. 等离子体所等利用功能化石墨烯材料去 除持久性有机污染物 日前,中科院合肥物质科学研究院等离子体所低温等 离子体应用研究室王祥科研究员和中科院化学研究所胡文

平研究员合作,成功制备出分散性均匀的功能化石墨烯材 料并对该材料进行磺酸化处理,实现了对持久性有机污染 物的有效去除. 石墨烯材料具有独特的物理化学性质,石墨烯与有机 污染物之间可以形成非常强的络合能力,因而可以吸附有 机污染物.但是由于石墨烯在溶液中易团聚,其吸附能力遭 到降低.经过大量实验研究,王祥科,胡文平研究员发现, 在石墨烯表面进行磺酸基功能化处理,可以提高石墨烯的 分散性,进而提高石墨烯的吸附能力.这种功能化石墨烯对 萘和萘酚的吸附能力达到了2.4毫摩尔/克,是目前所有材 料中吸附能力最高的材料.此外,王祥科研究员还介绍说, 对石墨烯进行氧化处理,在其表面修饰含氧功能基团后,即 可以很好的吸附金属离子. 值得一提的是,课题组在制备石墨烯纳米材料研究中, 利用等离子体技术可以直接在石墨表面剥离制备石墨烯, 不需要化学试剂,可简化制备过程,且该过程是环境友好 的.目前,该种材料的制备成本较高,但随着技术的发展, 将有望实现低成本,规模化制备,因此在未来的环境污染治 理中有非常重要的应用前景. 相关研究工作论文发表在材料领域期刊先进材料(AdvancedMaterials)上.此项研究得到国家自然科学 基金,科技部973课题和中国科学院的资助. CIGC:石墨烯将在2024年取代CMOS 半导体技术 CMOS半导体技术将在2024年7nm制程时代面临窘 境,而石墨烯可望脱颖而出,成为用来取代这项技术的最佳 选择一一这是根据近日于美国加州举行的IEEE定制积体电路大会(CICC)一场专题演讲上所发表的看法. "石墨烯已经展现出最终将取代矽晶微型晶片的多种可

石墨烯复合材料

一石墨烯/ Fe3O4 复合材料的制备及电磁波吸收性能 摘要：为扩展石墨烯的应用领域, 对磁性功能化石墨烯的电磁波吸收性能进行研究。在氧化石墨与 Fe3O4 粒子的悬浮液中添加还原剂水合肼, 微波辐照反应制备石墨烯/ Fe3O4 复合物。采用 X 射线衍射、透射电镜等手段对材料的结构和 Fe3O4 的分布状态进行了测试表征。采用矢量网络分析仪测定了材料在 0 1 1~ 18 10 GHz 频率范围内的复介电常数和复磁导率。利用 Cole -Cole 图解释了复合材料的介电特性。利用计算机模拟出不同厚度材料的电磁波衰减性能。结果表明, 当石墨烯和 Fe3O4 粒子以质量比 10B 1复合得到的吸波剂材料的匹配厚度在 2 1 0~ 2 1 5 mm 变化时, 反射损耗小于- 20 dB 的频率覆盖 6 1 5~ 817 GHz。调节 Fe3O4 粒子的相对含量, 复合材料的反射损耗最小可以达到- 4917 dB。复合材料的强吸收特性预示了其作为电磁波吸收材料的潜在应用前景。石墨烯自出现以来, 其独特的力学、电学、光学及磁学性能便引起了广泛关注。石墨烯具有的特殊二维片状结构有利于对电磁波的吸收, 以此为基体负载铁氧体形成石墨烯/ 铁氧体复合材料, 可以发挥以下优势: 首先, 石墨烯的电导率和热导率高, 比表面积大, 质量轻, 这些性能有利于电磁波的吸收和衰减; 其次, 铁氧体粒子的引入可以增强石墨烯的铁磁性, 使复合材料兼具磁损耗与电损耗, 有利于实现电磁匹配; 最后,铁氧体的反射率损耗一般发生在较低频率范围( < 10 GHz) , 而石墨材料的反射率损耗通常位于高频区, 因此, 两种材料的复合还有利于吸收频带的拓宽 结论 通过在微波还原 GO 的过程中添加Fe3O4 粒子, 制备出了石墨烯/ Fe3O4 复合材料。 (1) Cole-Cole 图显示, Fe3O4 粒子与石墨烯复合后, 粒子与石墨烯形成界面使得复合材料具有多重介电弛豫。 (2) 反射损耗的计算结果表明, 单一的 Fe3O4粒子在匹配厚度为 2 10~ 4 10 mm 时不能实现有效吸收, 与一定量的石墨烯复合后, 反射损耗能够降低到- 20 dB以下。其中以 GR-Fe3O4-10 B1 为吸收剂的材料在匹配厚度在 2 10~ 2 15 mm 变化时,有效吸收频带可以覆盖 6 15~ 8 17 GHz; 以 GR-Fe3O4-10B2为吸收剂的材料在厚度为3 15 mm、频率为 417 GHz 时的最小反射损耗可以达到- 4917 dB。石墨烯/ Fe3O4 复合材料强吸收的特性以及石墨烯作为基底的广泛适用性为研究新型吸波材料提供了新的思路。 二石墨烯/Pd 复合材料的制备及其形成机制研究近年来，越来越多的科学家致力于以氧化石墨为前驱体合成石墨烯 / 纳米金属或纳米金属氧化物，并研究其物理与化学性质[5-7]。金属钯具有良好的亲氢性，在氢气储存、加氢反应催化剂、燃料电池及化学传感器等方面有着广泛的应用前景，而且纳米金属颗粒与炭材料之间存在溢出效应，故这两者的复合有望提高材料的储氢能力 3

乙醇胺功能化石墨烯的制备与表征

2011年第69卷化学学报V ol. 69, 2011第12期, 1463～1468 ACTA CHIMICA SINICA No. 12, 1463～1468 * E-mail: mcwshma@https://www.360docs.net/doc/604151425.html, Received April 8, 2011; revised May 25, 2011; accepted June 3, 2011.

1464化学学报V ol. 69, 2011 分重要的意义. 由于氧化石墨烯中含有大量的羧基、羟基、羰基和环氧基等活性基团, 这为通过还原氧化石墨烯制备可分散的功能化石墨烯提供了基础. Si等[10]通过间歇性还原得到了水溶性的石墨烯, 但这种石墨烯要稳定分散于水中需要调节pH在3～10之间. Niyogi等[11]采用十八胺改性氧化石墨最终得到的改性石墨烯可稳定分散于四氢呋喃等溶剂中, 但是其反应过程复杂且需要用到剧毒的SOCl2. 本文采用乙醇胺作为功能化试剂, 通过非常简易的方法得到了可稳定分散于多种溶剂中的功能化石墨烯, 并运用原子力显微镜(AFM)、透射电镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)等技术研究了乙醇胺功能化石墨烯制备的反应机理以及功能化石墨烯的结构与微观形态. 1 实验部分 1.1 试剂与仪器 石墨粉(含碳99.99%, 上海胶体化工厂); 浓硫酸(广东光华化学有限公司); 高锰酸钾(广东光华化学有限公司); 硝酸钠(天津市福晨化学试剂厂); 双氧水(广州化学试剂厂); 乙醇胺(广州化学试剂厂); 水合肼(天津市福晨化学试剂厂); N,N-二甲基甲酰胺(江苏强盛化工有限公司); 无水乙醇(天津市富宇精细化工有限公司); 丙酮(广州市东红化工厂); 以上试剂皆为分析纯. 德国Bruker公司的Vector 33型傅里叶变换红外谱仪, KBr压片制样, 波数范围为4000～400 cm－1; 英国KRATOS公司生产的, 型号为Axis Ultra DLD X射线光电子能谱(XPS), 工作条件: 铝靶X射线源, 工作电压15 kV, 发射电流10 mA, 功率150 W. 所得能谱图用XPSPEAK4.1软件分峰, 进行高斯-洛沦兹混合拟合, 校准以C1s 的电子结合能(284.6 eV)为参比. 日本理学D/A型X射线衍射(XRD)分析仪, 连续记录扫描, 辐射管电压40 kV, 管电流40 mA, Cu Kα辐射(λ＝0.154 nm), 扫描速度2 deg/min; 德国NETZSCH TG 209失重差热分析仪, 在氮气气氛, 升温速率为 5 /min. ℃功能化石墨烯超声分散于DMF中, 然后滴于铜网上, 干燥后, 用日本电子公司JEM-100 CXII型透射电子显微镜观察功能化石墨烯的形态及其分散性. 原子力显微镜(AFM): 将功能化石墨烯的DMF分散液滴于硅片上, 在真空干燥箱中常温下真空干燥48 h; 日本Seiko仪器公司SPI3800-SPA-400型原子力显微镜, 矩形Si3N4探针, 轻敲模式. 1.2 氧化石墨烯(GO)的制备 本文采用Hummers法制备氧化石墨[12]. 之后经超声分散得到氧化石墨烯的水分散液. 1.3 还原氧化石墨烯(RGO)的制备 取100 mg氧化石墨溶于100 mL去离子水中, 超声30 min后形成均匀分散液, 在100 ℃下加入1 g水合肼还原24 h; 得到的还原氧化石墨烯经无水乙醇和去离子水洗涤至中性, 烘干备用. 1.4 改性氧化石墨烯(FGO)的制备 将100 mg氧化石墨溶于100 mL的去离子水中, 超声30 min后形成均匀分散液; 再加入一定量的HCl, 调节pH至1～2; 之后在室温下搅拌并缓慢滴加0.5 g乙醇胺, 反应24 h后, 得到糊状产物即改性氧化石墨烯用无水乙醇和去离子水洗涤至中性, 最后在60 ℃真空干燥箱中干燥48 h, 保存备用. 1.5 功能化石墨烯(FG)的制备 将洗涤后的改性氧化石墨烯分散于100 mL去离子水中, 超声30 min后形成均匀稳定的分散液, 在100 ℃下加入1 g水合肼还原24 h, 即得到功能化石墨烯, 产物用无水乙醇和蒸馏水洗涤至中性, 最后在60 ℃真空干燥箱中干燥48 h, 保存备用. 制备过程如图1所示. 2 结果与讨论 图2A为功能化石墨烯在不同溶剂中超声分散放置三个月后的数码照片. 由图中可以看出, 功能化石墨烯可以在水、DMF、乙醇和丙酮中稳定分散. 为了进一步分析功能化石墨烯在溶剂中的分散状况, 本实验将超声处理的功能化石墨烯的DMF分散液滴于铜网上, 干燥后, 用TEM观察其微观形态, 如图2B所示. 从图2B中可以清晰地看出, 功能化石墨烯在DMF中呈现出完全剥离的状态, 石墨烯纳米片层呈褶皱形态. 通过原子力显微镜的测试(图2C)可以测出石墨烯的平均厚度, AFM 表明本文得到的功能化石墨烯的平均厚度为3～4 nm, 大约2～3层[11], 而且表面是高低不平整的, 说明石墨烯经干燥后并不是平整地平铺于硅片表面, 这与TEM 显示结果是一样的, 即功能化石墨烯表面呈褶皱形态. 图3为氧化石墨烯(GO)、改性氧化石墨烯(FGO)、功能化石墨烯(FG)和还原氧化石墨烯(RGO)的红外光谱. 从图3a可看出, 氧化石墨烯中拥有大量的亲水官能团, 如羟基、羧基、环氧基和羰基; 其中3000～3700 cm－1的宽吸收峰对应于氧化石墨烯中的羟基及其吸收的水分子中的羟基; 1740 cm－1是芳环上羧酸中羰基的伸缩振动吸收峰; 而1248 cm－1处的吸收峰是环氧基的对称伸缩振动峰, 829 cm－1处的吸收峰则是环氧基的不对称伸缩振动峰[13,14]. 图3b中, 1250 cm－1处的环氧基