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    氧化石墨烯和石墨烯的介紹

     發布時間:2021-02-05 點擊量:179

    如今科研界的新興寵兒—石墨烯(Graphene,簡稱GR),它的大特性就是其電子的運動速度遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度,因此其電阻率很小,電阻很小,導電性能很好。所以我們可以用石墨烯充當導電填料,但需要對其進行修飾,以便使得填料量可以大一些,同時介電損耗不至于太大。而且不經修飾的石墨烯,其親水性及在有機溶劑中的分散性也較差。氧化石墨烯(graphene oxide,簡記為 GO)是石墨烯的一種衍生物[65-75],作為一種新型的碳納米材料,不僅繼承了石墨烯的優點,自身還攜帶了諸如C=O,C-OH,-COOH等許多豐富的含氧官能團,形成的基本原理是:石墨粉與強氧化劑反應后,氧原子與石墨層間的π電子結合,導致層面內的π鍵斷裂,并以豐富的含氧官能團與碳原子結合,形成共價鍵型的石墨層間化合物。氧化石墨烯的理想結構組成為C4OOH,其中C、H、O元素的含量隨氧化程度的變化而變化,如圖4.1所示是典型的氧化石墨烯結構。氧化石墨烯由不同尺寸的未被氧化的芳香―島‖組成,而這些―島‖則被含有羥基、環氧基團和雙鍵的六元脂環所分開,芳香環、雙鍵和環氧基團使得碳原子點陣格式近乎處于同一平面,只有連接到羥基基團的碳原子有較輕微的扭曲現象,導致一些層面發生卷翹,含氧官能團都處于碳原子點陣格子的上下,也形成了不同密度的氧原子分布。

     
     

    由于含氧官能團的加入,也賦予氧化石墨烯一些新特性,如親水性、在有機溶劑中的分

    散穩定性、與聚合物基體有更好的相容性等,研究者們還總結出以下特性:

    1)氧化還原性

    氧化石墨烯既可以與氧化劑發生氧化發應,又可以與還原劑發生還原反應,具有一定的

    氧化還原性。氧化石墨烯進一步發生氧化反應后,其六方形骨架結構上的所有碳原子都會被

    氧化成羧基,形成苯六酸。氧化石墨烯的還原就是利用還原劑去除豐富的含氧基團以及對苯環結構進行修復,目前化學還原法是宏量制備材料效的方法,常用的還原劑有水合肼

    (N2H4·H2O)、純阱、對苯二酚、硼氫化na(NaBH4)、醇類溶液、強堿和氫dian酸等。有學者研究了氧化石墨烯的化學還原法,發現氧化石墨烯經過化學反應后,會產生不飽和的、共軛的碳原子,使電導率顯著增加,具有和原始石墨相似的性質,且比表面積高。但還原劑中有些試劑(如:阱)具有毒性或腐蝕性,對環境會造成污染,因此可以用一些溫和的還原劑(如:

    抗壞血酸)和還原性的糖類(如:果糖)等替代。

    2)熱穩定性

    氧化石墨烯屬于一種熱不穩定的化合物,常溫狀態下也會慢慢自動脫氧,脫氧的過程中,

    氧化石墨烯的顏色會逐漸由褐色轉變成黑色,而且它脫氧的速率會隨著溫度的升高而加快,

    因此要選擇合適的方法來干燥氧化石墨烯,一般是冷凍干燥或者在小于等于50°C的條件下干燥。隨著溫度的升高,當溫度升高到150°C以上時,氧化石墨烯會因受熱分解而放出CO、CO2O2,溫度達到200°C時,可能會造成爆炸性的分解,從而形成膨脹石墨。

    3)離子交換性

    氧化石墨烯中離子交換原理:氧化石墨烯中含有大量的含氧官能團,其中羧基中的氫可電離成H+,H+會與別的同性離子發生交換作用,氧化石墨烯的離子交換容量可達3~3.5mmol/g,比蒙脫土的離子交換容量(0.6~1.2mmol/g)3~5倍。

    由于氧化石墨烯納米片的共軛網絡受到嚴重的官能化,其仍具有絕緣的特質。只有對其進行還原處理后才能提高其導電性,但對GO還原處理后得到的化學修飾過的石墨烯的導電性不如原始的石墨烯。故我們用化學修飾過的石墨烯充當填料。因為氧化石墨烯屬于一種熱不穩定的化合物,在常溫狀態下也會慢慢的自動脫氧,而且它的脫氧速率還會隨著溫度的升高而加快。所以本工作中,我們通過對GO溶液進行加熱,使其部分脫氧還原,然后與PVDF復合得到改性GO/PVDF的復合薄膜。

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