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石墨烯功能材料的綠色制備與應(yīng)用


來源:中國粉體網(wǎng)   留白

[導(dǎo)讀]  2024年10月29-31日在上?鐕少彆怪行,由北京粉體技術(shù)協(xié)會與柏德英思展覽(上海)有限公司聯(lián)合主辦2024第三屆低維碳納米材料制備及應(yīng)用技術(shù)交流會。

中國粉體網(wǎng)訊  石墨烯是一種二維材料,是目前世界上已知最薄、最堅(jiān)硬、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性最好的材料。從結(jié)構(gòu)上來說,它是由碳原子以六元環(huán)組構(gòu)而成的二維平面,是碳的一種新型二維納米結(jié)構(gòu)形式。石墨烯可以被看作是一種石墨薄層,1mm的石墨片層有大約300萬層石墨烯,石墨烯厚度僅有0.335nm。石墨烯還是目前可見的透明度最高的材料,玻璃的透光率為87%,而石墨烯薄膜透光率可達(dá)97.7%。

 

通常制備石墨烯的方法有物理法和化學(xué)法。物理法有固相機(jī)械剝離法、液相溶劑剝離法等;化學(xué)法有氧化還原法、化學(xué)氣相沉積法、電化學(xué)法、外延生長法等

 

固相機(jī)械剝離法

 

固相機(jī)械剝離法是利用機(jī)械力重復(fù)切一塊石墨,直到得到石墨烯薄層的方法。施加的機(jī)械力可以克服石墨烯結(jié)構(gòu)相鄰層之間的范德華引力,打破范德華力勢壘,分離兩層石墨烯。2004年,安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖羅夫利用透明膠帶對高度定向熱解的石墨進(jìn)行機(jī)械剝離得到首個(gè)單層石墨烯。這種方法可以得到高質(zhì)量的石墨烯層,但是費(fèi)時(shí)費(fèi)力、不可控因素較多、難以大規(guī)模制備,也很難制得大面積石墨烯。

 

中國科學(xué)家趙偉峰等人發(fā)明了一種球磨剝離石墨制備石墨烯的方法,該方法需要在球磨過程中添加合適的溶劑。這種方法可以以低成本從厚石墨薄片中批量生產(chǎn)晶體結(jié)構(gòu)完整的石墨烯薄片,而且能夠用于大規(guī)模生產(chǎn)。

 

液相溶劑剝離法

 

液相溶劑剝離法是將石墨片或石墨衍生物分散于溶劑(如N,N-二甲基甲酰胺、鄰二氯苯、N-甲基-吡咯烷酮)中,再用超聲、加熱等方法得到石墨烯的方法。這種方法可以保持石墨烯結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性能不被破壞,但是經(jīng)常會有石墨烯團(tuán)聚的現(xiàn)象。超聲法雖然非常簡單,適合在實(shí)驗(yàn)室制備石墨烯薄片,但超聲法制備的石墨烯的濃度非常低,不利于實(shí)際使用。而且需要注意超聲時(shí)間,過度的超聲處理會破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)。

 

氧化還原法

 

氧化還原法是將天然石墨通過熱處理或在邊界連接含氧基團(tuán)進(jìn)行氧化,再經(jīng)過外力剝離得到單層氧化石墨烯,最后將氧化石墨烯還原得到石墨烯的方法。常用的還原方法有:熱還原法、電化學(xué)還原法、微波還原法、等離子體還原法等。這種方法成本低、產(chǎn)量高,可以高效地制備出大面積獨(dú)立的單層石墨烯,適用于大規(guī)模生產(chǎn)。生產(chǎn)出的石墨烯可以應(yīng)用于光電池和電化學(xué)裝置等領(lǐng)域。

 

化學(xué)氣相沉積法

 

化學(xué)氣相沉積法(CVD)是目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的一種制備石墨烯薄膜材料的方法之一。它是利用高溫可分解的含碳化合物作為碳源,通過高溫退火使石墨烯在基體表面生長,最后從基體表面移除獲得石墨烯薄片。一般碳源可選擇甲烷、甲醇、乙烷、乙烯、乙醇、乙炔、聚合物等,基體多為金屬Ni、Pt、Ru。但經(jīng)研究,碳源還可以為餅干、巧克力、草、塑料、蟑螂等物質(zhì),而且選擇這些物質(zhì)合成石墨烯更加的低成本、無毒以及綠色

 

電化學(xué)法

 

電化學(xué)法是在水溶液或有機(jī)電解質(zhì)中的石墨工作電極上應(yīng)用陰極或陽極電位的方法。使用陽極電位有助于將負(fù)的陰離子插入到石墨層中,導(dǎo)致石墨逐漸膨脹,然后連續(xù)脫落形成石墨烯薄片。電化學(xué)法還可以將氧化石墨烯上的含氧基團(tuán)還原以制備石墨烯。

 

外延生長法

 

外延生長法是指在高溫下加熱碳化硅(SiC)單晶體,脫除SiC表面的Si原子留下C原子重構(gòu),繼而獲得與原SiC差不多面積的石墨烯薄層。這種方法能夠制備出1-2個(gè)碳原子層厚的石墨烯,但是該方法不能獲得大面積厚度均一的石墨烯層。

 

石墨烯在電池儲能中的應(yīng)用

 

作為導(dǎo)電劑:石墨烯可以作為導(dǎo)電劑應(yīng)用于鋰離子電池、鈉離子電池等,提高電池的導(dǎo)電性和充放電性能。例如,石墨烯導(dǎo)電劑可以降低電池的內(nèi)阻,提高電池的倍率性能,使電池能夠快速充放電。

 

構(gòu)建固態(tài)電解質(zhì):研究石墨烯-金屬鋰固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池,有望提高鋰離子電池的安全性和能量密度。

 

石墨烯在催化領(lǐng)域的應(yīng)用

 

二氧化碳轉(zhuǎn)化:王俊中教授課題組制備的石墨烯鉚釘單原子鐵FeN5催化活性中心,在電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能,在低過電位下,法拉第效率達(dá)到97.0%,為二氧化碳的資源化利用提供了科學(xué)依據(jù)。

 

氧還原反應(yīng):石墨烯基非貴金屬催化劑在燃料電池陰極氧還原反應(yīng)、金屬-空氣電池催化劑等方面具有潛在的應(yīng)用前景,可部分取代昂貴的Pt/C催化劑。

 

石墨烯在復(fù)合材料中的應(yīng)用

 

高分子復(fù)合材料:與高分子結(jié)合制備石墨烯橡膠、石墨烯芳綸等高分子復(fù)合材料,可提高材料的力學(xué)性能、導(dǎo)電性和耐熱性等,在航空航天等領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值。

 

碳基復(fù)合材料:如碳纖維/石墨烯/活性炭復(fù)合碳材料,有望使得車身儲能一體化,為未來汽車輕量化和儲能一體化提供了可能性。

 

石墨烯在光學(xué)器件中的應(yīng)用

 

石墨烯在常溫常壓下是接近透明的固體,具有透光性。它在紅外區(qū)間具有非常突出的非線性光學(xué)特性,其非線性折射率為10-7cm2/ W。石墨烯具有高靈敏、良好的非線性光學(xué)特性以及抗電磁干擾能力,能夠作為光纖傳感器、光開關(guān)等光學(xué)器件。石墨烯還在在圖像處理、光學(xué)存儲及人員和器件保護(hù)等諸多光學(xué)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。

 

2024年10月29-31日在上?鐕少彆怪行,由北京粉體技術(shù)協(xié)會與柏德英思展覽(上海)有限公司聯(lián)合主辦2024第三屆低維碳納米材料制備及應(yīng)用技術(shù)交流會。屆時(shí)來自安徽大學(xué)王俊中教授將作題為《石墨烯功能材料的綠色制備與應(yīng)用》的報(bào)告。報(bào)告主講人將介紹石墨烯功能材料的綠色制備方法和石墨烯在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用及展望。


 

專家簡介:

 

王俊中教授,現(xiàn)任職安徽大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與信息技術(shù)研究院,安徽省石墨烯先進(jìn)材料工程實(shí)驗(yàn)室主任,博士生導(dǎo)師,中國微米納米技術(shù)學(xué)會理事;中科院百人,先進(jìn)材料國際協(xié)會會士(IAAM Fellow),入選國家科技專家?guī)。先后留學(xué)日本和新加坡8年,在中科院山西煤化所任課題組長和研究員8年,曾獲先進(jìn)材料國際協(xié)會科學(xué)家獎?wù)潞蜕轿魇】茖W(xué)技術(shù)獎。發(fā)明了石墨烯電化學(xué)綠色制備方法,在國內(nèi)外孵化2家石墨烯科技企業(yè)。授權(quán)發(fā)明專利20項(xiàng),授權(quán)PCT國際發(fā)明專利2項(xiàng)。在JACS、Angewandte等國際知名期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文50篇,多次受邀在國內(nèi)外學(xué)術(shù)和行業(yè)會議做報(bào)告。

 

參考來源:

李韋韋等,石墨烯的制備及其在NMP中分散性能研究

趙冬梅等,石墨烯/碳納米管復(fù)合材料的制備及應(yīng)用進(jìn)展

梁程景等,石墨烯的光電特性及其技術(shù)應(yīng)用展望


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