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氧化石墨烯和石墨烯的介紹

更新時(shí)間:2021-02-05      點(diǎn)擊次數(shù):7843

如今科研界的新興寵兒—石墨烯(Graphene,簡(jiǎn)稱(chēng)GR),它的大特性就是其電子的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度,因此其電阻率很小,電阻很小,導(dǎo)電很好。所以我們可以用石墨烯充當(dāng)導(dǎo)電填料,但需要對(duì)其進(jìn)行修飾,以便使得填料量可以大一些,同時(shí)介電損耗不至于太大。而且不經(jīng)修飾的石墨烯,其親水性及在有機(jī)溶劑中的分散性也較差。氧化石墨烯(graphene oxide,簡(jiǎn)記為 GO)是石墨烯的一種衍生物[65-75],作為一種的碳納米材料,不僅繼承了石墨烯的優(yōu)點(diǎn),自身還攜帶了諸如C=O,C-OH-COOH等許多豐富的含氧官能團(tuán),形成的基本原理是:石墨粉與強(qiáng)氧化劑反應(yīng)后,氧原子與石墨層間的π電子結(jié)合,導(dǎo)致層面內(nèi)的π鍵斷裂,并以豐富的含氧官能團(tuán)與碳原子結(jié)合,形成共價(jià)鍵型的石墨層間化合物。氧化石墨烯的理想結(jié)構(gòu)組成為C4OOH,其中C、H、O元素的含量隨氧化程度的變化而變化,如圖4.1所示是典型的氧化石墨烯結(jié)構(gòu)。氧化石墨烯由不同尺寸的未被氧化的芳香―島‖組成,而這些―島‖則被含有羥基、環(huán)氧基團(tuán)和雙鍵的六元脂環(huán)所分開(kāi),芳香環(huán)、雙鍵和環(huán)氧基團(tuán)使得碳原子點(diǎn)陣格式近乎處于同一平面,只有連接到羥基基團(tuán)的碳原子有較輕微的扭曲現(xiàn)象,導(dǎo)致一些層面發(fā)生卷翹,含氧官能團(tuán)都處于碳原子點(diǎn)陣格子的上下,也形成了不同密度的氧原子分布。

 
 

由于含氧官能團(tuán)的加入,也賦予氧化石墨烯一些新特性,如親水性、在有機(jī)溶劑中的分

散穩(wěn)定性、與聚合物基體有好的相容性等,研究者們還總結(jié)出以下特性:

1)氧化還原性

氧化石墨烯既可以與氧化劑發(fā)生氧化發(fā)應(yīng),又可以與還原劑發(fā)生還原反應(yīng),具有一定的

氧化還原性。氧化石墨烯進(jìn)一步發(fā)生氧化反應(yīng)后,其六方形骨架結(jié)構(gòu)上的碳原子都會(huì)被

氧化成羧基,形成苯六酸。氧化石墨烯的還原就是利用還原劑去除豐富的含氧基團(tuán)以及對(duì)苯環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù),目前化學(xué)還原法是宏量制備材料效的方法,常用的還原劑有水合肼

(N2H4·H2O)、純阱、對(duì)苯二酚、硼氫化na(NaBH4)、醇類(lèi)溶液、強(qiáng)堿和氫dian酸等。有學(xué)者研究了氧化石墨烯的化學(xué)還原法,發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)后,會(huì)產(chǎn)生不飽和的、共軛的碳原子,使電導(dǎo)率顯著增加,具有和原始石墨相似的性質(zhì),且比表面積高。但還原劑中有些試劑(如:阱)具有毒性或腐蝕性,對(duì)環(huán)境會(huì)造成污染,因此可以用一些溫和的還原劑(如:

抗壞血酸)和還原性的糖類(lèi)(如:果糖)等替代。

2)熱穩(wěn)定性

氧化石墨烯屬于一種熱不穩(wěn)定的化合物,常溫狀態(tài)下也會(huì)慢慢自動(dòng)脫氧,脫氧的過(guò)程中,

氧化石墨烯的顏色會(huì)逐漸由褐色轉(zhuǎn)變成黑色,而且它脫氧的速率會(huì)隨著溫度的升高而加快,

因此要選擇合適的方法來(lái)干燥氧化石墨烯,一般是冷凍干燥或者在小于等于50°C的條件下干燥。隨著溫度的升高,當(dāng)溫度升高到150°C以上時(shí),氧化石墨烯會(huì)因受熱分解而放出CO、CO2O2,溫度達(dá)到200°C時(shí),可能會(huì)造成爆炸性的分解,從而形成膨脹石墨。

3)離子交換性

氧化石墨烯中離子交換原理:氧化石墨烯中含有大量的含氧官能團(tuán),其中羧基中的氫可電離成H+H+會(huì)與別的同性離子發(fā)生交換作用,氧化石墨烯的離子交換容量可達(dá)3~3.5mmol/g,比蒙脫土的離子交換容量(0.6~1.2mmol/g)3~5倍。

由于氧化石墨烯納米片的共軛網(wǎng)絡(luò)受到嚴(yán)重的官能化,其仍具有絕緣的特質(zhì)。只有對(duì)其進(jìn)行還原處理后才能提高其導(dǎo)電性,但對(duì)GO還原處理后得到的化學(xué)修飾過(guò)的石墨烯的導(dǎo)電性不如原始的石墨烯。故我們用化學(xué)修飾過(guò)的石墨烯充當(dāng)填料。因?yàn)檠趸儆谝环N熱不穩(wěn)定的化合物,在常溫狀態(tài)下也會(huì)慢慢的自動(dòng)脫氧,而且它的脫氧速率還會(huì)隨著溫度的升高而加快。所以本工作中,我們通過(guò)對(duì)GO溶液進(jìn)行加熱,使其部分脫氧還原,然后與PVDF復(fù)合得到改性GO/PVDF的復(fù)合薄膜。

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