石墨烯复合材料地制备及其性能研究进展

1、word论文题 目:石墨烯复合材料的制备与其性能研究进展学生: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与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拟了各种方法的优缺点, 简单介绍了石墨烯的力学、光学、电学与热学性能。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与应用，以与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 posite materials Abstract: Graphene has bee a hot research field of material for its excellent performance and unique two-dimensional structure. This paper summarizes the m

2、ethod for preparing graphene and pared the advantages and disadvantages of various methods,introduces the mechanics,graphene optical,electrical and thermal properties. posite 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 posites and graphene based inorganic nano posite material,and the prospect of graphene posite materials. Key words:graphene;preparation;properties;p

3、osite materials 目 录前 言11石墨烯简介2石墨烯的开展222石墨烯复合材料制备44石墨烯与金属化合物复合42.1.2 石墨烯-其他金属化合物复合62.1.3 石墨烯-非金属材料复合72.2.1 石墨烯/聚苯胺(PANI)复合材料82.2.2 石墨烯/聚乙烯复合材料82.2.3 石墨烯/聚苯乙烯复合材料83石墨烯复合材料的应用993.1.1 对聚合物力学性能的改善9参考文献12前 言石墨烯自2004年被发现以来,就引起了材料科学家的广泛关注,在世界围掀起了石墨烯材料的制备和应用研究的热潮。石墨烯是sp2杂化的碳原子形成的单原子层厚度，排列成二维蜂窝状的晶体。其优异的物理和化学性质、较大的外表积和较低的制备本钱，比拟适宜应用于功能性复合材料的开发。复合材料是以一种材料为基体，添加一种或一种以上其它材料组合而成的材料。各种组成材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料，从而满足不同的应用需求。石墨烯复合材料是以石墨烯为基体，在其中添加聚合物或其它无机材料而形成的复合材料。在制备以与应用研究中，石墨烯复合材料可以分为：石墨烯/聚合物、石墨烯/无

4、机材料等二元复合材料以与石墨烯/无机材料/聚合物三元复合材料等。石墨烯复合材料的应用前景比拟广泛，比如应用于传感器、储能、催化和电极材料等领域。1石墨烯简介石墨烯的开展石墨烯的理论研究已有60多年的历史。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学两位科学家安德烈杰姆和克斯特亚诺沃消洛夫采用简单的“微机械剥离法首先在实验中成功地从石墨中别离出二维结构的石墨烯1-3，从而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料中的开创性实验而共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯作为单原子层的二维石墨晶体模型，根底结构都是sp2碳材料，被认为是富勒烯、碳纳米管和石墨的根本结构单元。石墨烯作为一种新型的纳米材料，它具有一些特殊优异的性质，如大的比外表积、高机械强度以与超强的电子传导能力。石墨烯由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子组成，是世界上最薄的二维材料，其厚度仅为0.335 nm。结构完整的石墨烯是由不含任何不稳定键的苯六元环组合而成的二维晶体，化学稳定性高，外表呈惰性状态，与其它介质如溶剂等的相互作用较弱，并且由于石墨烯片与片之间有较强的德华力的作

5、用，使其容易产生聚集难溶于水与常化用的有机溶剂，对于进一步研究和应用有一定的限制。因此对石墨烯进展一定程度的功能并将其溶解于特定的溶液中，可以实现石墨烯的功能化利用和性质的发挥。在0.1 mol/L 的pH=7的PBS缓冲液中测试石墨烯修饰电极的电化学性质，发现它有比单纯的石墨电极、玻璃碳电极以与金刚石电极都要优异的电化学性质，主要表现在通过交流阻抗谱测得的电阻明显低于其它碳材料；通过循环伏安法测得的曲线出现了明显的氧化复原峰，并且氧化复原峰电流与扫描频率的平方根有明显的线性关系，这明确通过石墨烯修饰电极上的氧化复原过程可以实现特定物质的检测。石墨烯(Graphene)是由单层碳原子严密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料。这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335 nm，只有头发的20万分之一，是形成其他维数碳材料如零维的富勒烯、一维的纳米碳管和三维的石墨等的根本单元具有极好的结晶性与电学性。完美的石墨烯是二维的，只包括六角元胞等角六边形，但在实际情况下不免有缺陷的存在，这些缺陷的地方就会不再是碳六元环而是五元环或七元环等。这些少量存在的碳五元环可以使得石墨烯发生卷曲，再和其他的碳六元

6、环卷曲形成的圆柱一起组成封闭的一维碳纳米管；十二个碳五元环和一定的碳六元环就会一起组成富勒烯。(1)石墨烯具有优异的光学性能。 (2)理论和实验结果明确，单层石墨烯吸收2.3%的可见光，即透过率为97.7%。(3)从基底到单层石墨烯、双层石墨烯的可见光透射率依次相差2.3%。(1)石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道电子形成一个大键，电子可以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性。 (2)电子在石墨烯中传输时不易发生散射，迁移率可达200000cm2/(V*s)，约为硅中电子迁移率的140倍，其电导率可达104S/m，是室温下导电性最优的材料。(3)石墨烯的导电性可通过化学改性的方法进展控制，并可同时获得各种基于石墨烯的衍生物。 (4)双层石墨烯在一定条件下还可呈现出绝缘性。(1)石墨烯是材料中强度和硬度最高的晶体结构。 (2)其抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1TPa。 (3)石墨烯的强度极限为42N/m2.。(1)石墨烯的室温热导率约为5300 W/mK，高于碳纳米管和金刚石，是室温下铜的热导率的10倍多。 (2)石墨烯的理论比外表积可达2630m2/g。2石

7、墨烯复合材料制备石墨烯具有优异的导电、导热和力学性能，可作为制备高强导电复合材料的理想纳米填料，同时分散在溶液中的石墨烯也可和聚合物单体相混合形成复合材料体系，此外石墨烯的参加使复合材料多功能化，不但表现出优异的力学和电学性能，且具有优良的加工性能，为复合材料提供了更广阔的应用领域。但是结构完整的石墨烯是由不含任何不稳定键的苯六元环组合而成的二维晶体，化学稳定性高，其外表呈惰性状态，与其他介质 如溶剂等 相互作用较弱，且石墨烯片与片之间存在较强的德华力，容易产生团聚，使其难溶于水和常用有机溶剂，限制了石墨烯的进一步研究和应用。而氧化石墨烯外表含有大量的含氧官能团，如羟基、羧基等，这些官能团使得改性石墨烯成为可能。石墨烯氧化物是大规模合成石墨烯的起点，也是实现石墨烯功能化的最为有效的途径之一，可通过将氧化石墨烯作为新型填料来制备功能聚合物纳米复合材料来实现，以改善纳米复合材料的力、热、电等综合性能。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。石墨烯/无机纳米复合材料将无机材料分散到石墨烯纳米

8、片外表制成石墨烯/无机纳米复合材料,无机纳米粒子的存在可使石墨烯片层间距增加到几个纳米,从而大大减小石墨烯片层之间的相互作用,使单层石墨烯的独特性质得以保存,这是通常化学修饰法难以企与的,因此,用无机纳米粒子修饰石墨烯片,提供了一条阻止石墨烯片团聚的新途径,从另一个角度看,石墨烯/无机纳米复合材料,不但可以同时保持石墨烯和无机纳米粒子的固有特性,而且能够产生新颖的协同效应,具有广泛的应用价值。石墨烯与金属化合物复合金属化合物与石墨烯用不同方法制备复合材料，主要用于超级电容器、锂电池等领域，金属化合物包括金属氧化物、金属氢氧化物、金属硫化物等。 (1) 石墨烯-氧化锌ZnO复合材料 ZnO具有良好的电和光学性能,可应用于太阳能电池、气敏元件和发光二极管，加之石墨烯独特的性能，国外的研究者已着手研究石墨烯-ZnO复合材料。Zhang等5合成的石墨烯-ZnO复合材料应用于超级电容器的电极材料,石墨烯由改良Hummers法和肼复原过程制备,ZnO通过超声喷雾热分解沉积在石墨烯上,相比纯石墨烯或ZnO电极,石墨烯-ZnO复合材料薄膜在浓度为1mol/L的氯化钾电解液中具有更好的可逆充电/放电能力

9、和更高比电容值(11.3F/g)。Wu等6用乙二醇为媒介,氧化石墨为石墨烯的前驱体,乙酸丙酮锌为氧化锌的前驱体制备治结构的石墨烯-ZnO纳米材料，ZnO纳米结构成长在石墨烯上，能有效地提高光催化和ZnO的传感性能，在纳米技术领域有广阔的应用前景。 (2) 石墨烯-锰Mn化合物复合材料 Wang等7将石墨烯悬浮液和二氧化锰(MnO2)有机溶胶在乙二醇中混合，用超声处理和热处理得到四氧化三锰Mn3O4/石墨烯纳米复合材料，当其用作超级电容器电极材料时，在浓度为1mol/L的硫酸钠(Na2SO4)电解液中，Mn3O4/石墨烯纳米复合材料的比电容高达175F/g，在浓度为6mol/L的氢氧化钾KOH电解液中高达256F/g，Mn3O4/石墨烯纳米复合材料的这种增强的超级电容性能，归因于Mn3O4纳米粒子、石墨烯的高电导率和显著增加的比外表积的电化学贡献。Chen等8报道了一种用溶剂方法把碱式氧化锰(MnOOH)纳米晶体沉积在石墨烯上，通过X线衍射仪(XRD)和透射电子显微镜(TEM)观察明确，MnOOH纳米晶体任意地装饰剥离的石墨烯，形成分散良好的石墨烯-MnOOH纳米复合材料，合成过程中重要的机制是溶解-结晶和取向附生，对于高氯酸胺热分解，制备的纳米复合材料表现出不寻常的催化性能，这个无模板方法容易重复，制备在低温下容易进展，并能容易地制备其他石墨烯型纳米复合材料。(3) 石墨烯-四氧化三钴Co3O4复合材料 Yan等9采用微波辅助的方法快速地制备石墨烯纳米片/Co3O4复合材料，石墨烯纳 米

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