13石墨烯

阿比旦·阿布都乃则尔化学化工学院学号：107622015210546石墨烯/导电聚合物复合材料的制备及其研究研究背景及意义1.石墨烯的特性和发展石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接形成的单原子层二维晶体，其厚度为0.335nm，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中。电子显微镜下观测的石墨烯片，其碳原子间距仅0.142纳米。2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家——安德烈・海姆和康斯坦丁・诺沃肖洛夫通过使用胶带反复剥离石墨的方法在绝缘基底上获得了单层或少层的石墨烯并研究其电学性能，发现其具有特殊的电子特性以及优异的电学、力学、热学和光学性能，从而掀起了石墨烯应用研究的热潮。石墨烯的发现石墨烯可看作是其他维数碳质材料的基本构建模块，它可以被包成零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管或堆叠成三维的石墨。石墨剥离成单层石墨稀石墨烯的特性“最强性能”有许多最薄最轻载流子迁移率最高电阻率最低强度最大最坚硬导热率最高厚0.335nm，比表面积为2630m2/g室温下为20万cm2/Vs（硅的100倍）约为10-6Ω•cm（比铜和银更低）破坏强度：42N/m（结构钢的200倍）3000~5000W/mK（硅的50倍）这些性能使石墨烯具有重要的潜在应用价值和研究空间石墨烯基复合材料的开发形成了一个研究热点，其中石墨烯/导电聚合物复合材料吸引了很多学者的关注。导电聚合物(CPs)在20世纪70年代后期作为一种新的有机材料被合成出来。Heeger等发现经过特殊改造后的塑料能够像金属一样表现导电性能，他们也因此在2000年荣获了诺贝尔化学奖。导电聚合物按照其导电原理主要分为一下三类:一是电子导电聚合物(Electron-conductingPolymer,ECP);二是离子导电高分子(Ionconductingpolymer,ICP);三是氧化还原型导电聚合物(Redox-conductingpolymer,RCP)。电子导电聚合物,又称共辄导电聚合物。聚乙炔(Polyacetylene,PA)、聚吡咯(Polypyrrole,PPy)、聚苯胺(Polyaniline,PANl)、聚苯撑(Polyphenylene)和聚噻吩(PTH)等都属于电子导电聚合物。这类聚合物的共同特征为聚合物主链上含有交替的单键和双键,从而形成了线性共轭π电子主链(C-C键和C=C键交替排列的高分子链,或C-N、C-S、N-S等共轭体系),这种结构给电子提供了离域迁移的条件,而π电子的流动则为聚合物提供了导电的可能性。导电聚合物及其特性导电聚合物由于具有结构多样化，电导率可调性，质量轻，易加工等特点，在燃料电池,太阳能电池,超级电容器,生物医药方面,电致变色材料及化工等领域中呈现出广泛的应用前景。导电聚合物的简介随着研究工作的发展，各种功能材料如导电、导热、导磁和吸波等材料被陆续报道出来。同时，纳米技术的发展使得层状、粒状和纤维状纳米级无机物在聚合物中的复合得到迅速发展，石墨烯/聚合物复合材料受到科学家们的重视。石墨烯的添加不仅有利于聚合物基体电性能的提高和热传导性能的改善，而且对于提高聚合物玻璃化转变温度和改善复合材料力学性能也具有重大意义。导电聚合物具有成本低廉、容易合成、导电性能可调、柔韧性好等优点。导电聚合物在柔性光电子器件、传感器、分子导线和分子器件、电磁屏蔽、金属防腐和隐身技术方面有着重要的潜在应用前景。人们期望石墨烯与导电聚合物复合后因协同效应而带来一些新的性能，从而使石墨烯/聚合物复合材料发展到一个新的阶段。近几年人们发现聚苯胺是一种性能良好的导电聚合物，与其它导电聚合物相比，聚苯胺以其较高的电导率、原料易得、合成方法简单、结构多样化、耐氧化和耐热性好、电化学可逆性好、独特的掺杂现象、良好的生物相容性、优良的电磁波吸收能力、潜在的溶液和熔融加工性能、较高贮存电荷能力和良好的电化学性能被认为是一种最有希望的导电高分子材料。聚苯胺的应用聚苯胺的结构单元聚苯胺的基本结构单元，当y=1时，为无色翠绿亚胺完全还原态(leucoemeraldine)；当y=0.5时，为翠绿亚胺半氧化态(emeraldine)；当y=0时，为全氧化态(pernigraniline)。聚苯胺存在稳定性较差、可加工性不好和聚苯胺只有被质子酸掺杂才具有导电性等缺点，这些缺点限制了聚苯胺在某些领域的应用。将石墨烯与聚苯胺结合，不仅可以利用石墨烯优异的机械性能和独特的电学性能来弥补聚苯胺的缺点，而且期望复合材料因为协同效应得到一些新的性能。因此，制备石墨烯/聚苯胺复合材料成为当前研究的热门课题。将石墨烯与聚苯胺两种材料复合在一起成为复合材料应用的前提条件。目前，石墨烯/聚苯胺导电聚合物复合材料的制备方法主要可以分为化学方法和电化学方法两大类。化学方法(1)把苯胺单体加在石墨烯悬浮液中进行原位聚合。首先将氧化过的天然石墨进行超声剥离，得到氧化石墨烯，再用化学方法对氧化石墨烯进行还原，得到石墨烯，然后在石墨烯的悬浮液中加入苯胺单体进行原位聚合。Zhou等将用Hummers方法制备的氧化石墨超声剥离得到氧化石墨烯，再加入二甲基甲酰胺(DMF)得到稳定的氧化石墨烯悬浮液，用水合肼还原后加入氯化聚乙烯(PIL)，接着加入过硫酸铵(APS，(NH4)2S2O8)，最后把用盐酸溶液分散的苯胺单体加入到石墨烯的悬浮液中，过硫酸铵会将苯胺单体聚合，最后得到石墨烯/聚苯胺纳米片。这种石墨烯/聚苯胺纳米片可以在分散水溶液中，得到稳定存在的石墨烯/聚苯胺溶液。石墨烯/导电聚苯胺复合材料的制备(2)将苯胺单体于氧化石墨烯分散液中进行化学聚合，再将氧化石墨烯进行化学还原。Zhang等将苯胺单体加入到氧化石墨烯的酸溶液中，加入APS的酸溶液将苯胺单体聚合后得到氧化石墨烯/聚苯胺混合溶液，再加入水合肼将其中的氧化石墨烯还原成石墨烯，最后得到石墨烯/聚苯胺复合材料。用这种方法制备的石墨烯/聚苯胺复合材料在0.1A/g的电流密度的比电容高达480F/g。(3)石墨烯分散液与聚苯胺溶液的直接混合。Wu等[]将氧化石墨用水合肼还原，同时用界面聚合法聚合苯胺，把石墨烯溶液加入到聚苯胺溶液中超声得到混合液，再用真空过滤法过滤混合液得到石墨烯/聚苯胺复合薄膜。这种方法制备的石墨烯/聚苯胺稳定性好、柔韧性高，同时也为制备石墨烯导电聚合物复合材料提供了一种新的途径。石墨烯/导电聚苯胺复合材料的制备电化学方法电化学制备法是在电位的作用下，用循环伏安法或恒电位法使单体在电极表面通过电化学氧化还原作用发生的聚合反应。电化学聚合过程中，常用到双电极体系或者三电极体系。电化学聚合必须在稳定的电解液体系中进行，所用的电解液一般包含溶剂、支持电解质和前驱体。电化学聚合过程主要与电解液中前驱体的浓度、扫描速率和电解液的pH值有关，电化学聚合过程还与聚合时的反应温度、电位范围、电聚合时间、电极面积和搅拌等因素有关。在该方法中，电极电位是聚合反应引发和进行的驱动力，单体在电极表面聚合，从而直接生成石墨烯/聚苯胺薄膜。电化学沉积方法因其具有简单，快速，环保，可规模化制备和薄膜厚度可控等优点而成为一种广泛用于材料制备的方法。Feng等将氧化石墨烯与苯胺单体共同分散于硫酸溶液中，离心分离后得到氧化石墨烯/苯胺复合物，将氧化石墨烯/苯胺复合物的悬浮液滴在电极表面，将电极真空干燥后置于硫酸溶液中进行电聚合，聚合苯胺单体的同时氧化石墨烯被电还原成石墨烯，最后得到石墨烯/聚苯胺复合材料修饰的电极。这种方法制备的石墨烯/聚苯胺复合材料可直接用于电极材料，并且复合材料稳定性非常好。石墨烯/导电聚苯胺复合材料的制备石墨烯/导电聚苯胺复合材料的制备及研究schematicdiagramforpreparationofGQDPcomposites通过原位聚合法先化学氧化聚苯胺，惨杂石墨烯量子点合成得到了性能优良的新型纤维复合材料。此方法优异性在于一步合成，可同时实现苯胺单体的电聚合和分散在溶液里的石墨烯量子点与聚合物的复合。他们将此复合材料用于作为高性能的超级电容器电极材料方面。石墨烯/导电聚苯胺复合材料的制备及研究石墨烯/导电聚苯胺复合材料的制备及研究石墨烯/导电聚苯胺复合材料的制备及研究石墨烯/导电聚苯胺复合材料的制备及研究石墨烯/导电聚苯胺复合材料的制备及研究石墨烯/导电聚苯胺复合材料的制备及研究石墨烯/导电聚苯胺复合材料的制备及研究石墨烯/导电聚苯胺复合材料的制备及研究此研究的研究结果和结论Inconclusion,wehavesuccessfullysynthesizedB6.0nmsizegraphenequantumdotsfromgrapheneoxideflakes.ThesynthesizedGQDcompositesarenanofibrousornanotubularinnature.TheinnerdiameterofGQDPnanotubesvarieswiththeratio(w/w)ofGQDtoaniline.ThesynthesizedGQDPcompositesshowahighestspecificcapacitancevalueof1044Fg-1atthecurrentdensityof1Ag-1with80.1%retentionofcapacitanceafter3000cycles.石墨烯/导电聚苯胺复合材料的制备及研究石墨烯/导电聚苯胺复合材料的其他应用1.石墨烯/导电聚合物复合材料由于其较高的电催化性能，较大的比表面积以及较低的制备成本，已经被广泛应用于传感器方面。2.石墨烯/导电聚合物复合材料也可以被应用于燃料电池领域。3.最近也有不少研究者在研究石墨烯/导电聚合物复合材料在敏化太阳能电池方面的应用。对石墨烯/导电聚苯胺复合材料发展的的结论与展望虽然在制备石墨烯/导电聚合物材料上的探索已经取得重要的研究成果，但是该领域的发展仍处于初级阶段，还有许多相关问题需要被解决.第一，石墨烯材料本身不能大量制备，这一点限制了复合材料的工业化生产。第二，在制备石墨烯/导电聚合物复合材料时一般使用氧化石墨烯才能与聚合物材料有效的复合，但是以后还原的方式得到的石墨烯材料本身的电导率较差，不能满足电极材料所需的较高电导率的要求。第三，由于石墨烯与导电聚合物的π-π堆积作用导致了复合材料的有效比表面积较小，限制了其在电极材料上的应用.因此，如何能够大量制备具有高电导率、高比表面积且微纳米结构可控的石墨烯/导电聚合物复合材料是需解决的问题。因此，如何能够大量制备具有高电导率、高比表面积且微纳米结构可控的石墨烯/导电聚合物复合材料是需解决的问题.此外，石墨烯/导电聚合物复合材料的功能化和器件化也是材料迈向实用化的关键，这里所涉及到的研究课题包括材料的设计及制备、组装以及器件性能检测和功能显示等内容，充分体现了多学科交叉和多技术结合的特点，其中充满了挑战、机遇和希望.所以我们需要积极探索并解决石墨烯/导电聚合物复合材料研究中出现的科学与技术问题。