应用胶体化学论文大作业石墨烯纳米材料姓名：学号：年级：2009级2011-12-11 摘要：石墨烯是继富勒烯、碳纳米管之后发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料, 它自 2004年发现被以来，成为凝聚态物理与材料科学等领域的一个研究热点。石墨烯 是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体, 它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、 三维体相石墨等sp2杂化碳的基本结构单元，具有很多奇异的电子及机械性能。因而吸 引了化学、材料等其他领域科学家的高度关注。本文简要介绍了石墨烯的性能特点、制 备方法，着重对石墨烯纳米复合材料进行了介绍，对石墨烯纳米材料的制备方法、理化 性质、国内外研究进展、石墨烯纳米材料的优缺点及应用前景进行了详细介绍。 关键词：石墨烯纳米材料复合物 特性制备 应用目录引言4一 石墨烯纳米材料的理论与实际意义 4二 石墨烯纳米材料的国内外研究现状及比较分析 52.1 石墨烯纳米材料的国内外研究 52.1.1 国外研究52.1.2 国内研究82.2 石墨烯纳米材料的国内外研究比较分析 11三 文献中石墨烯纳米材料的研究方案 113.1聚乳酸/纳米羟基磷灰石/氧化石墨烯(PLA/n-HA/GO)纳米复合膜的制备及生物性113.1.1 实验试剂113.1.2 PLA/n-HA/GO纳米复合膜的制备113.2石墨烯负载Pt催化剂的制备及催化氧还原性能43123.2.1 试剂和仪器123.2.2石墨烯负载Pt催化剂的制备123.3 石墨烯的制备和改性及其聚合物复合的研究进展44123.3.1 石墨烯的制备123.3.2 制备聚合物基复合材料143.4 石墨烯/聚合物复合材料的研究进展45143.4.1 石墨烯的制备143.4.2 石墨烯/聚合物复合材料的制备153.5 石墨烯的合成与应用46163.5.1 微机械分离法(micromechanical cleavage)163.5.2 取向附生法晶膜生长(eqitaxial growth) 163.5.3加热SiC的方法173.5.4 化学分散法17四 结合胶体理论与性质比较分析各种石墨烯纳米材料的优缺点 174.1石墨烯.174.2 氧化石墨烯184.3 石墨烯/无机物纳米材料184.4 石墨烯/聚合物纳米材料18五 展望石墨烯纳米材料的应用前景18参考文献20引言石墨烯自 2004 年被发现以来，因其优异的电学、力学、热学、光学等性能，已经 深深地影响了物理、化学和材料学领域，被广泛应用于复合材料、纳米电子器件、能量 储存、生物医学和传感器等范围，表现出巨大的潜在应用前景。石墨烯是近年来发现的新型碳纳米材料，它基本具有碳材料的所有优点，而且还拥 有更高的比表面积和导电率，能够克服碳纳米管的一些缺陷，使其成为了一个非常理想 的纳米组合成分来制备石墨烯的复合材料。自从石墨烯被发现以来，越来越多科学家开 始关注基于石墨烯的复合材料的研究。目前，石墨烯的复合材料己在催化、储能、生物 医药等领域展现出优越的性质和潜在的应用价值。例如，将石墨烯添加到高分子中，可 以提高高分子材料的机械性能和导电性能；通过石墨烯与许多不同结构和性质的纳米粒 子进行复合，制备出新型石墨烯-纳米粒子纳米杂化体，可以提高这些粒子在储能、催 化、传感器、光电等领域的应用性能等等。这些复合物的制备也拓宽了石墨烯材料的研 究领域，使得石墨烯材料更有利于实际应用。石墨烯本身作为一种新型碳纳米材料，由于其特殊的结构特性使其在电学、力学、 热学、光学等方面具有优异的性能，如量子霍尔效应、量子隧穿效应等。由于具有独特 的纳米结构和优异的性能，石墨烯可应用于许多的先进材料与器件中，如薄膜材料、储 能材料、液晶材料、机械谐振器等；石墨烯是单层石墨，原料易得，所以价格便宜，不 像碳纳米管那样价格昂贵，因此石墨烯有望代替碳纳米管成为聚合物基碳纳米复合材料 的优质填料。而在石墨烯中引入其他物质制成的复合物称为石墨烯纳米复合材料。石墨烯纳米复 合材料主要分为两类：石墨烯/无机物纳米材料和石墨烯/聚合物纳米材料。目前制备的 石墨烯纳米复合材料并不多 , 主要是因为石墨烯既不亲水也不亲油 , 反应活性不高 , 使得对它进行改性比较困难, 从而导致与其它材料复合也比较困难。现在制备石墨烯纳 米复合材料主要是先让氧化石墨与其它材料复合 , 再将其中的氧化石墨还原得到石墨 烯纳米复合材料; 或者用改性过的石墨烯与其它材料复合。石墨烯纳米复合材料是在石墨烯的基础上添加上具有特定性能的聚合物或无机物， 使其在某一方面或某几方面具有更加优异的特性。这使得它在很多领域都有广阔的应用 前景。石墨烯的优秀特性加上聚合物或无机物而形成的石墨烯纳米复合材料将实现高 效、经济、环保等技术追求，这将迎来材料界的新革命。石墨烯纳米材料的国内外研究现状及比较分析2.1石墨烯纳米材料的国内外研究近年来，石墨烯纳米材料由于其在电学、力学、热学、光学等方面具有优异的性能称为国内外研究的宠儿，已成为材料、化学、物理等众多领域研究的热点。2.1.1国外研究 石墨烯的研究2004 年，曼彻斯特大学 Geim1 等即采用机械法从高定向热解石墨( HOPG) 上剥 离出单层石墨烯。他们在HOPG表面用氧等离子刻蚀微槽，并用光刻胶将其转移到玻璃 衬底上，用透镜胶带反复撕揭，尔后将玻璃衬底放入丙酮溶液中超声清洗，并在溶液中 放入单晶硅片，单层石墨烯会在范德华力作用下吸附到硅片表面。后来机械法简化为直 接用胶带从 HOPG 上揭下一层石墨，然后在胶带之间反复粘贴，石墨片层会越来越薄 (其中包含单层石墨烯) ，再将胶带贴在衬底上，单层石墨烯就转移到衬底上了。Novoselov 等2用微机械分离法制备了石墨烯。他们研究发现用另一种材料膨化 或引入缺陷的热解石墨进行摩擦，体相石墨的表面会产生絮片状的晶体，这些晶体中含 有单层的石墨烯。Bunch 等3将天然石墨絮片在二氯苯溶液中超声处理，然后将溶液滴在表面附着 氧化膜的硅晶片上，用异丙醇进行洗涤，再在氮气中晾干，可以得到单层石墨烯片层形 成的几纳米厚的膜。Meyer 等4将微机械分离法制得的含有石墨烯硅晶片放在经过刻蚀的金属架上，用酸将硅晶片腐蚀去除，制备出由金属架支撑的悬空的单层石墨烯，此外用TEM发现单 层石墨烯并不是平整的平面，而是有510nm高度的褶皱。Meyer 等5还研究了单层和双层石墨烯表面的褶皱程度，发现单层石墨烯表面褶 皱明显大于双层石墨烯，并且随着石墨烯层数的增加褶皱程度越来越小，最后趋于平滑。Schleberger等用微机械分离法在不同绝缘晶体基底上(SrTiO, TiO , Al O和3 2 2 3CaF等)制备出石墨烯，所制得的石墨烯单层厚度仅为0.34nm，远低于在SiO基底上制 22备得到的石墨烯。Srivastava等用微波增强化学气相沉积法在Ni包裹的Si衬底上生长出了 20 nm 厚的石墨烯，并研究了微波功率对石墨烯形貌的影响。研究发现，微波功率越大，石墨 烯片越小，但密度更大;且发现石墨烯片中含有较多的Ni元素。Dato等研究了一种新型等离子体增强化学气相沉积法，用乙醇作为碳源，利用Ar 等离子体合成了石墨烯。Kim等用电子束蒸发的方法在SiO / Si衬底上沉积了厚度小于300 nm的Ni薄2膜，再把样品放人石英管中，Ar作为保护气体，加热至1000C，然后通入甲烷、氢气 与氩气的混合反应气体，利用氩气使样品以10C/s的速率迅速降到室温。研究发现：此 种方法生长的石墨烯呈现一些皱褶，皱褶使得石墨烯的存在更加稳定，降温速率对抑制 更多层碳薄膜的形成和石墨烯从衬底上分离起着关键作用。Reina等血在用化学气相沉积法在多晶Ni薄膜表面制备了尺寸可达到厘米数量 级的石墨烯。Ruoff Mi用化学气相沉积法在Cu箔基底表面上制备了大面积、高质量的石墨烯， 且主要为单层石墨烯。Schniepp等12用浓盐酸、浓硝酸及过量的氯酸钾作为氧化剂，使鳞片石墨充分 氧化96h，尔后在充满氩气的容器中以大于2000C/min迅速升温至1050C，含氧基团 产生二氧化碳将石墨片层与片层剥离开。剥离开的氧化石墨表面积高7001500m2/g， 单层氧化石墨直径约500nm，层厚l.lnm。Stankovich等13研究了化学还原剥离的氧化石墨制备石墨烯薄片。研究发现：石 墨烯片具有和初始石墨相似的性质，且比表面积高;氧化石墨烯经还原后会产生不饱和 的、共轭的碳原子，使电导率显著增加，因此还原后的氧化石墨烯可应用于储氢材料或 作为电传导填充料应用在复合材料领域。Li等通过用氨水调节溶液pH值，控制石墨层间的静电作用，制备出在水中稳 定分散的石墨烯悬浮液，其电导率达到7200S/m。Si等闵通过间歇性还原制备了水溶性的石墨烯，即先用NaBH4对氧化石墨进行 部分还原，然后在部分还原的氧化石墨上引入苯磺酸基团，再用水合肼进行彻底的还原 得到石墨烯。该方法制备的石墨烯在浓度为2mg/mL以下时能够稳定分散在pH为310 的水中。 石墨烯/聚合物复合材料Stankovich 等17将经过化学修饰的石墨烯在聚合物中以分子尺度分散制备出石 墨烯 聚合物复合材料。该复合材料具有较低的导电渗阈值，在体积分数为0.1%时下 即可导电。在石墨烯体积分数为1%时，复合材料的电导率达0.1S/m，2.5%时达1S/m。Ramanathan 等19研究了功能化的石墨烯聚合物纳米复合材料。研究发现: 石墨 烯的加入有助于克服聚合物粒子之间的相互作用，可提高聚合物的模量、强度、玻璃化 转变温度和热分解温度，其效果与单壁碳纳米管相当；如加入1wt%的石墨烯薄片，聚丙 烯腈的玻璃化转变温度提高40C，在加入0.05wt%石墨烯薄片，聚甲基丙烯酸甲酯玻 璃化转变温度提高近30C。Ansari 等21用热还原得到的石墨烯与聚偏二氟乙烯在 DMF 溶液中进行复合，样 品经热压成型制备得到石墨烯/聚偏二氟乙烯纳米复合材料。研究发现：热还原得到的 石墨烯有利于聚偏二氟乙烯形成B型晶体；样品比纯聚偏二氟乙烯的热稳定性要好；含 石墨烯 4%的复合材料弹性模量比纯聚偏二氟乙烯提高了近2倍；石墨烯/聚偏二氟乙烯 纳米复合材料的电渗滤阈值仅为2%，其电阻率随温度的升高反而降低，而通过石墨超声 剥离而得到的石墨烯与聚偏二氟乙烯的复合材料电阻率随温度的升高而升高。 石墨烯/无机物复合材料Watcharomne等用溶胶一凝胶法制备了石墨烯/SiO2纳米复合材料，研究发现： 导电率和石墨烯的添加量有关(导电率在(8.00.9)X10 4S/cm(0450.06)S /cm， 对应的添加量为3.9%11wt%),而且经400C热处理后的样品导电率增大；氧化石墨 烯/SiO2纳米复合材料的透射率很好，氧化石墨烯经还原后复合材料的透射率减小。Ryan等制备出石墨烯/金纳米复合材料，研究发现Au纳米粒子在石墨烯片上 分散极好，可以应用在催化剂、光电材料、磁性材料等领域。Paek等制备出石墨烯一SnO复合材料，研究发现：石墨烯能够起到电子传递通 2道的作用，该复合材料提高了锂离子电池负极材料的比容量和循环稳定性，其比热容可 以达到810mAh g-1,而纯SnO的比热容为550mAhg-】；石墨烯一SnO复合材料在循 22环30次以后，比容量仍可保持到570mAhg-1,而纯SnO的比容量在循环15次以后就2会降到只有60 mAhg-1。2.1.2国内研究