浅谈石墨烯材料的应用研究

2018-12-20部天宇山东省实验中学

数码世界 2018年11期

部天宇山东省实验中学

前言

2004 年，英国曼彻斯特大学教授首次采用机械剥离法制备得到石墨烯材料。石墨烯是一种厚度仅为一个单原子层厚度的片状二维纳米材料，其晶格是由6个sp 杂化的碳原子构成，为与苯环类似的平面正六边形结构。石墨烯材料具有优异的电学、热学、光学和机械性能，并且具有较高的理论比表面积，其理论比表面积值高达2630m /g，石墨烯由于其优异的性能迅速成为各个领域的研究热点。本文重点阐述了石墨烯材料在锂离子电池、增强高分子聚合物和吸波领域的研究进展。

1 石墨烯在锂离子电池方面的应用

石墨烯材料由于其优良的导电性在锂离子电池领域得到了广泛应用。Wu等人制备得到一种纳米Co3O4颗粒均匀分布在石墨烯片上的复合材料，作为高性能锂离子电池的阳极材料，所制备的Co3O4纳米颗粒的直径约为10-30nm，其在石墨烯片上的均匀分散可以有效阻止石墨烯片的团聚。这种Co3O4 /石墨烯纳米复合材料具有优异的性能，包括大的可逆容量，优异的循环性能和良好的倍率性能，表明将Co3O4纳米颗粒附着在石墨烯片上，可以最大限度地利用其电化学活性，同时表明石墨烯在高性能锂离子电池储能应用中具有较好的应用前景。

Wang等人通过两步溶液相反应的方法制备得到还原氧化石墨烯片（RGO）上负载Mn3O4纳米颗粒的复合材料。与溶液中的自由颗粒生长相比，在RGO片上选择性生长Mn3O4纳米颗粒允许电绝缘的Mn3O4纳米颗粒通过下面的导电石墨烯网络连接到集电器。由于石墨烯基底和其上生长的Mn3O4纳米颗粒之间的紧密相互作用，在RGO片上的Mn3O4纳米颗粒显示出高达约900mAh/g的高比容量，接近其理论容量，同时该材料具有良好的倍率性能和循环稳定性。该Mn3O4/RGO复合材料在用于高容量、低成本和环境友好型的锂离子电池阳极材料方面具有良好的前景。

Zhou等人通过在石墨烯纳米片之间原位还原氢氧化铁的方法来制备得到Fe3O4颗粒均匀分布于石墨烯片上的复合材料，该石墨烯纳米片/Fe3O4复合材料，在35mA/g下进行30次循环后显示出的可逆比容量接近1026mAh/g，在700mA/g下进行100次循环后显示出的可逆比容量接近580mAh/g，该材料具有提高的循环稳定性和优异的倍率性能，可用于性能良好的锂离子电池材料。

2 石墨烯在增强高分子聚合物方面的应用

对于制备高性能石墨烯基纳米复合材料，由于石墨烯片之间具有很强的界面结合力，并且其具有很大的表面惰性，从而使石墨烯纳米片在聚合物主体中的分散性和精确的界面控制非常具有挑战性。Fang等人报道了一种功能化石墨烯纳米片的有效方法。他们通过重氮加成反应将引发剂分子共价嫁接到石墨烯纳米片表面，随后的原子转移自由基聚合，将聚苯乙烯链（82wt%的接枝效率）连接到石墨烯纳米片上。由于石墨烯纳米片的阻碍效应，与纯聚合物相比，该聚苯乙烯复合材料的玻璃化转变温度提高了约15℃。当石墨烯添加量为0.9wt%时，该聚苯乙烯纳米复合材料的拉伸强度和杨氏模量分别提高了约70%和57%，其对于优化石墨烯高分子复合材料的加工性能和界面结构提供了可行性方案。

Rafiee等人对环氧树脂添加石墨烯纳米片复合材料的机械性能进行了研究，其中添加的纳米材料质量分数为0.1wt%。结果表明，石墨烯增强环氧树脂复合材料的杨氏模量提高了约31%，拉伸强度提高约40%，断裂韧性提高约53%。复合材料具有优异机械性能的原因为石墨烯片具有较大的比表面积，且其具有褶皱表面，因此可以与高分子机体形成较强的粘结或互锁，同时石墨烯材料的片状二维结构，也有利于增强复合材料的机械性能。

石墨烯纳米片由于具有优异的物理和化学性能，在科学和工程领域引起了广泛的关注。随着简易制备和高产率的实现，石墨烯在高分子纳米复合材料方面也得到了实际的应用。Zhao等人通过一种简易的水溶液的制备方法，得到了一种充分剥离的石墨烯纳米片增强的聚乙烯醇复合材料。研究表明，当复合材料内石墨烯含量为1.8vol%时，其拉伸强度较基体增加了约150%，杨氏模量比基体提高了近10倍。通过实验结果与杨氏模量理论模拟的对比，表明石墨烯纳米片大部分随机分散在复合薄膜中。

3 石墨烯在吸波方面的应用

石墨烯材料由于其大的比表面积以及良好的电学性能成为吸波领域的研究热点。Xu等人通过一种简单的溶剂热的方法获得了一种Fe3O4空心球负载在还原氧化石墨烯片上的复合材料，该Fe3O4空心球的外径大约为395nm，球壳厚度约为100nm，其均匀分布在还原氧化石墨烯片的两面。当样品中Fe3O4/RGO的含量为30wt%，样品厚度为2.0mm时，该样品在12.9GHz处的最大反射损失值为-24dB，并且其有效吸收带宽（＜-10dB）可达4.9GHz（10.8-15.7GHz）。研究结果表明，复合材料良好的微波吸收性能，主要归因于介电损耗和磁损耗。

Zhang等人通过一种温和的水热法大规模制备得到了MnFe2O4纳米颗粒，随后采用超声处理方法制备得到RGO/MnFe2O4复合材料，并研究了RGO/MnFe2O4/PVDF复合材料的微波吸收性能。研究结果表明，当填料含量为5wt%时，复合材料吸波性能最佳。其在9.2GHz处达到最大反射损失值为-29dB，有效吸收带宽（＜-10dB）可从8.00-12.88GHz。该复合材料优异的吸波性能主要归因于介电损耗、磁损耗和各组分之间的协同效应。