石墨烯復(fù)合材料的制備、結(jié)構(gòu)及性能研究.pdf

1、石墨烯是一種由碳原子緊密堆積成的、具有蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的二維碳質(zhì)材料，因其具有密度小、比表面積大等特點(diǎn)，而且在力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等方面具有很多獨(dú)特而優(yōu)異的性能，已成為物理、化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，石墨烯由于具有大的表面能極易團(tuán)聚，因此難以在水和常用有機(jī)溶劑中均勻分散，從而極大限制了其應(yīng)用。而用其他功能性納米材料實(shí)現(xiàn)石墨烯的雜化復(fù)合，在解決石墨烯自身團(tuán)聚問(wèn)題的同時(shí)，也能賦予石墨烯本身所不具備的優(yōu)異性能，因此在諸多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)

2、用前景。目前，石墨烯的雜化復(fù)合功能化仍面臨很多亟待解決的問(wèn)題，比如如何利用簡(jiǎn)單方法實(shí)現(xiàn)石墨烯與其他納米粒子的雜化復(fù)合和有序聚集組裝，如何在將石墨烯及石墨烯基雜化粒子應(yīng)用于聚合物復(fù)合材料體系時(shí)，以實(shí)現(xiàn)其在聚合物基體中的均勻分散和（或）定向排列等。
　　本論文針對(duì)如上這些問(wèn)題，開(kāi)展新型石墨烯及石墨烯雜化粒子的非共價(jià)構(gòu)筑方面的研究工作，深入研究了石墨烯及石墨烯雜化粒子結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，同時(shí)探索了石墨烯及石墨烯雜化粒子在制備高性能高分

3、子納米復(fù)合材料及超級(jí)電容器電極材料等方面的應(yīng)用。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)利用氧化石墨烯(GO)片層上的芳香共軛結(jié)構(gòu)與原始碳納米管(CNTs)管壁上芳香共軛結(jié)構(gòu)之間的π-π相互作用等非共價(jià)作用，用GO作為新型二維分散劑實(shí)現(xiàn)了原始CNTs在水中的均勻分散，并形成具有三維納米結(jié)構(gòu)的GO-CNT雜化粒子;同時(shí)，由于GO片層對(duì)具有不同外徑的原始CNTs具有不同的分散效果，可以實(shí)現(xiàn)GO片層在水中對(duì)不同外徑的原始CNTs的分揀和富集作用，

4、有效拓展了GO在膠體化學(xué)及其他領(lǐng)域中的應(yīng)用。
　　(2)用簡(jiǎn)單抽濾法將水中均勻分散的GO-CNT雜化粒子組裝在微孔濾膜表面，實(shí)現(xiàn)了二維GO片層在宏觀組裝體薄膜材料中的取向排列，獲得了自支撐GO-CNT雜化薄膜。經(jīng)化學(xué)還原和聚苯胺(PANI)納米粒子表面負(fù)載后，雜化薄膜可直接作為柔性電極材料用于超級(jí)電容器方面的研究。G-CNT雜化薄膜良好的柔韌性和導(dǎo)電性能以及均勻負(fù)載的高比電容PANI納米粒子，使得負(fù)載PANI納米粒子的G-CNT雜

5、化薄膜具有較高的比電容值和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，是一種非常理想的超級(jí)電容器電極材料。
　　(3)利用功能化CNTs與石墨烯片層之間的π-π相互作用等非共價(jià)作用，使得功能化CNTs在水中由GO還原成石墨烯的過(guò)程中能起到穩(wěn)定分散石墨烯的作用，同時(shí)，功能化CNTs與石墨烯片層之間會(huì)形成新型的具有三維納米結(jié)構(gòu)的G-CNT雜化粒子。用溶液澆膜法實(shí)現(xiàn)了該納米粒子在聚乙烯醇(PVA)基體中的均勻分散。由于功能化CNTs與石墨烯片之間以及雜化粒子與P

6、VA基體之間都存在強(qiáng)的界面相互作用，雜化粒子作為新型填料粒子能顯著提高PVA基體材料的力學(xué)性質(zhì)和熱穩(wěn)定性。
　　(4)利用鈉離子對(duì)堿水分散液中石墨烯的絮凝作用，獲得了鈉離子插層的石墨烯絮狀沉淀物，該沉淀物很容易經(jīng)超聲均勻分散在N，N-二甲基甲酰胺(DMF)等常用有機(jī)溶劑中，該簡(jiǎn)易方法提供了不經(jīng)功能化修飾即可實(shí)現(xiàn)石墨烯在有機(jī)溶劑中均勻分散的新思路。進(jìn)一步用溶液澆膜法將此石墨烯片添加到熱塑性聚氨酯(TPU)中，使TPU基體材料的力學(xué)性

7、質(zhì)、導(dǎo)電性質(zhì)和熱穩(wěn)定性等都得到顯著的改善，這為低成本制備石墨烯納米復(fù)合材料提供了一種簡(jiǎn)單有效的方法。
　　(5)利用石墨烯片層與水熱碳球(CS)之間的氫鍵相互作用等非共價(jià)作用，實(shí)現(xiàn)了石墨烯片與CS在水中的共分散，同時(shí)獲得了石墨烯-CS雜化粒子。用真空抽膜法誘導(dǎo)石墨烯-CS雜化粒子在微孔濾膜表面的取向排列，獲得了具有良好柔韌性的宏觀組裝體薄膜材料，并可直接將其作為工作電極用于超級(jí)電容器方面的研究。該雜化薄膜的比電容值明顯優(yōu)于石墨烯薄

8、膜和CS粉末，且具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性，是一種理想的超級(jí)電容器電極材料。
　　(6)利用水中鈉離子對(duì)帶負(fù)電石墨烯片層以及蒙脫土(MMT)片層的“交聯(lián)”作用，以及石墨烯片層與MMT片層之間的氫鍵相互作用，實(shí)現(xiàn)了MMT片層對(duì)石墨烯的穩(wěn)定分散作用，對(duì)石墨烯的非共價(jià)功能化修飾及在水中的均勻分散提供了新的思路。經(jīng)真空抽濾后實(shí)現(xiàn)了MMT及石墨烯片層在微孔濾膜上的沉積和取向排列，經(jīng)轉(zhuǎn)移操作后獲得了自支撐雜化薄膜。該雜化薄膜具有良好的導(dǎo)電性及柔韌性