淺談石墨烯材料的應(yīng)用研究

部天宇 山東省實驗中學(xué)

前言

2004 年，英國曼徹斯特大學(xué)教授首次采用機械剝離法制備得到石墨烯材料。石墨烯是一種厚度僅為一個單原子層厚度的片狀二維納米材料，其晶格是由6個sp 雜化的碳原子構(gòu)成，為與苯環(huán)類似的平面正六邊形結(jié)構(gòu)。石墨烯材料具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和機械性能，并且具有較高的理論比表面積，其理論比表面積值高達2630m /g，石墨烯由于其優(yōu)異的性能迅速成為各個領(lǐng)域的研究熱點。本文重點闡述了石墨烯材料在鋰離子電池、增強高分子聚合物和吸波領(lǐng)域的研究進展。

1 石墨烯在鋰離子電池方面的應(yīng)用

石墨烯材料由于其優(yōu)良的導(dǎo)電性在鋰離子電池領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。Wu等人制備得到一種納米Co3O4顆粒均勻分布在石墨烯片上的復(fù)合材料，作為高性能鋰離子電池的陽極材料，所制備的Co3O4納米顆粒的直徑約為10-30nm，其在石墨烯片上的均勻分散可以有效阻止石墨烯片的團聚。這種Co3O4 /石墨烯納米復(fù)合材料具有優(yōu)異的性能，包括大的可逆容量，優(yōu)異的循環(huán)性能和良好的倍率性能，表明將Co3O4納米顆粒附著在石墨烯片上，可以最大限度地利用其電化學(xué)活性，同時表明石墨烯在高性能鋰離子電池儲能應(yīng)用中具有較好的應(yīng)用前景。

Wang等人通過兩步溶液相反應(yīng)的方法制備得到還原氧化石墨烯片（RGO）上負(fù)載Mn3O4納米顆粒的復(fù)合材料。與溶液中的自由顆粒生長相比，在RGO片上選擇性生長Mn3O4納米顆粒允許電絕緣的Mn3O4納米顆粒通過下面的導(dǎo)電石墨烯網(wǎng)絡(luò)連接到集電器。由于石墨烯基底和其上生長的Mn3O4納米顆粒之間的緊密相互作用，在RGO片上的Mn3O4納米顆粒顯示出高達約900mAh/g的高比容量，接近其理論容量，同時該材料具有良好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。該Mn3O4/RGO復(fù)合材料在用于高容量、低成本和環(huán)境友好型的鋰離子電池陽極材料方面具有良好的前景。

Zhou等人通過在石墨烯納米片之間原位還原氫氧化鐵的方法來制備得到Fe3O4顆粒均勻分布于石墨烯片上的復(fù)合材料，該石墨烯納米片/Fe3O4復(fù)合材料，在35mA/g下進行30次循環(huán)后顯示出的可逆比容量接近1026mAh/g，在700mA/g下進行100次循環(huán)后顯示出的可逆比容量接近580mAh/g，該材料具有提高的循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異的倍率性能，可用于性能良好的鋰離子電池材料。

2 石墨烯在增強高分子聚合物方面的應(yīng)用

對于制備高性能石墨烯基納米復(fù)合材料，由于石墨烯片之間具有很強的界面結(jié)合力，并且其具有很大的表面惰性，從而使石墨烯納米片在聚合物主體中的分散性和精確的界面控制非常具有挑戰(zhàn)性。Fang等人報道了一種功能化石墨烯納米片的有效方法。他們通過重氮加成反應(yīng)將引發(fā)劑分子共價嫁接到石墨烯納米片表面，隨后的原子轉(zhuǎn)移自由基聚合，將聚苯乙烯鏈（82wt%的接枝效率）連接到石墨烯納米片上。由于石墨烯納米片的阻礙效應(yīng)，與純聚合物相比，該聚苯乙烯復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度提高了約15℃。當(dāng)石墨烯添加量為0.9wt%時，該聚苯乙烯納米復(fù)合材料的拉伸強度和楊氏模量分別提高了約70%和57%，其對于優(yōu)化石墨烯高分子復(fù)合材料的加工性能和界面結(jié)構(gòu)提供了可行性方案。

Rafiee等人對環(huán)氧樹脂添加石墨烯納米片復(fù)合材料的機械性能進行了研究，其中添加的納米材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1wt%。結(jié)果表明，石墨烯增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的楊氏模量提高了約31%，拉伸強度提高約40%，斷裂韌性提高約53%。復(fù)合材料具有優(yōu)異機械性能的原因為石墨烯片具有較大的比表面積，且其具有褶皺表面，因此可以與高分子機體形成較強的粘結(jié)或互鎖，同時石墨烯材料的片狀二維結(jié)構(gòu)，也有利于增強復(fù)合材料的機械性能。

石墨烯納米片由于具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，在科學(xué)和工程領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。隨著簡易制備和高產(chǎn)率的實現(xiàn)，石墨烯在高分子納米復(fù)合材料方面也得到了實際的應(yīng)用。Zhao等人通過一種簡易的水溶液的制備方法，得到了一種充分剝離的石墨烯納米片增強的聚乙烯醇復(fù)合材料。研究表明，當(dāng)復(fù)合材料內(nèi)石墨烯含量為1.8vol%時，其拉伸強度較基體增加了約150%，楊氏模量比基體提高了近10倍。通過實驗結(jié)果與楊氏模量理論模擬的對比，表明石墨烯納米片大部分隨機分散在復(fù)合薄膜中。

3 石墨烯在吸波方面的應(yīng)用

石墨烯材料由于其大的比表面積以及良好的電學(xué)性能成為吸波領(lǐng)域的研究熱點。Xu等人通過一種簡單的溶劑熱的方法獲得了一種Fe3O4空心球負(fù)載在還原氧化石墨烯片上的復(fù)合材料，該Fe3O4空心球的外徑大約為395nm，球殼厚度約為100nm，其均勻分布在還原氧化石墨烯片的兩面。當(dāng)樣品中Fe3O4/RGO的含量為30wt%，樣品厚度為2.0mm時，該樣品在12.9GHz處的最大 反射損失值為-24dB，并且其有效吸收帶寬（＜-10dB）可達4.9GHz（10.8-15.7GHz）。研究結(jié)果表明，復(fù)合材料良好的微波吸收性能，主要歸因于介電損耗和磁損耗。

Zhang等人通過一種溫和的水熱法大規(guī)模制備得到了MnFe2O4納米顆粒，隨后采用超聲處理方法制備得到RGO/MnFe2O4復(fù)合材料，并研究了RGO/MnFe2O4/PVDF復(fù)合材料的微波吸收性能。研究結(jié)果表明，當(dāng)填料含量為5wt%時，復(fù)合材料吸波性能最佳。其在9.2GHz處達到最大反射損失值為-29dB，有效吸收帶寬（＜-10dB）可從8.00-12.88GHz。該復(fù)合材料優(yōu)異的吸波性能主要歸因于介電損耗、磁損耗和各組分之間的協(xié)同效應(yīng)。

4 結(jié)論

石墨烯材料由于具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和機械性能，使其在鋰離子電池、增強高分子聚合物和吸波等方面都取得了良好的研究成果。在下一步的研究中，對石墨烯進行改性或以石墨烯為基體制備多元復(fù)合材料的研究會越來越多，從而使石墨烯在各個領(lǐng)域具有更加廣闊的應(yīng)用前景。