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【你问我答】石墨烯大讲堂(17)
无论是在私人的朋友圈,还是材料类公众号平台,关于石墨烯的文章无处不在,还大有刷屏之势。不管是技术小白还是研发大咖,要是不知道石墨烯,是不是都不好意思和0朋友、同事聊天呢!

什么,你还不知道石墨烯到底是啥??!!没关系,赶紧关注环球新碳,这里开设了石墨烯大讲堂,为大家从零开始讲述生而不凡的新材料之王----石墨烯。

Duang, Duang, Duang!!! 环球新碳石墨烯大讲堂第17期闪亮登台开讲啦!这期的大讲堂主要和小伙伴们分享“石墨烯基复合材料”。

石墨烯因其独特的结构和性能,成为物理化学和材料学界的研究热点。与碳纳米管类似,石墨烯很难作为单一原料生产某种产品,而主要是利用其突出特性与其它材料体系进行复合,从而获得具有优异性能的新型复合材料。石墨烯复合材料的结构主要有四种类型:(a)石墨烯负载的复合材料;(b)石墨烯包裹的复合材料;(c)石墨烯内嵌的复合材料;(d)基于石墨烯的层状复合材料。

石墨烯负载的复合材料是在石墨烯表面引入第二组分并在其表面进行外延伸展得到的。石墨烯包裹的复合材料是用石墨烯片将第二组分包裹得到的,可以更有效地防止第二组分的聚合。石墨烯内嵌的复合材料是将石墨烯纳米片作为填充物充分分散在第二组分的基体相中得到的。其中基体相可以是纳米材料,也可以是块体材料组成。在现阶段的研究中,石墨烯内嵌的复合材料的第二组分以聚合物居多,但一些无机化合物如陶瓷材料也可以嵌入石墨烯中形成石墨烯内嵌的功能陶瓷材料。石墨烯层状复合材料是将第二组分和石墨烯片交替堆积而成,该结构可以使石墨烯与第二组分的接触面积最大化,并有利于电子的产生、传输和分离。
石墨烯具有诸多优异的性能,如导电导热性好、韧性好、比表面积大等,这些性能使得石墨烯基复合材料呈现出许多优异的特性。如以石墨烯为载体负载纳米粒子,可以提高这些粒子的催化性能、传导性能;利用石墨烯较好的韧性,将其添加到高分子中,可以提高高分子材料的机械性能和导电性能。按第二组分的不同,可将石墨烯复合材料分为石墨烯-纳米粒子复合材料、石墨烯-聚合物复合材料和石墨烯-碳基材料复合材料。

1 石墨烯-纳米粒子复合材料
纳米粒子因其独特的物理化学性质引起纳米科学工作者的极大兴趣,但寻找合适的载体成为纳米粒子广泛应用的一个难题。石墨烯与其他碳材料(碳纳米管、富勒烯等)相比,表现出优异的电学、光学等物理化学性质,以及有较低的制备成本,使得石墨烯成为了纳米粒子的潜在载体。

由于片层间范德华力的作用, 石墨烯往往存在着不可逆的团聚现象,而存在于石墨烯层间的纳米粒子正好起到分离邻近石墨烯片层、 防止发生团聚的作用。近年来,研究人员创造性地将石墨烯与纳米粒子复合起来,形成了一个新的研究领域。可与石墨烯形成复合物的纳米粒子有很多,如负载金属纳米粒子(Pt,Au,Pd,Ag等)、氧化物纳米粒子(Cu2O,TiO2,SnO2等)以及硫化物纳米粒子(CdS)等。这些不同负载粒子的石墨烯复合材料也呈现出了许多不同的性质。
银-石墨烯/聚吡咯纳米粒子复合材料表现出更好的电催化活性和比电容。石墨烯/V2O5复合材料与V2O5纳米颗粒相比,表现出更强的电化学性能。此外,石墨烯/SnO2复合材料、石墨烯/TiO2复合材料、石墨烯/Co3O4复合材料、石墨烯/MoO2复合材、石墨烯/Mn3O4复合材料等石墨烯/金属氧化物复合材料相继涌现,与原金属氧化物纳米粒子相比,都具有更好的电学性能。
目前,石墨烯-纳米粒子复合材料的研究主要集中在一元纳米粒子的复合,关于多元纳米粒子组合的报道还非常少,有待进一步研究。

2 石墨烯-聚合物复合材料
石墨烯由于其独特的结构和性能,在改善聚合物的热性能、力学性能和电性能等方面具有相当大的应用价值。添加适量的石墨烯可以使基体聚合物的力学性能得到显著提高,克服一般无机填料使用量大,且不能兼顾刚性、耐热性、尺寸稳定性与韧性同时提高的缺点。

研究发现,石墨烯/聚乙烯醇(PVA)复合材料(石墨烯含量为1.8vol%)的抗拉强度提高了150%,杨氏模量提高了10倍左右。石墨烯/聚氯乙烯(PVC)复合材料(石墨烯含量为2wt%)的抗拉强度提高了130%,杨氏模量提高了58%,同时聚合物的玻璃化转变温度也被改变。石墨烯/聚对苯二甲酸复合材料(石墨烯含量为3.0vol%)的电导率可达到2.11S/m。对石墨烯/聚烯烃纳米复合材料,石墨烯含量为1.2vol%时复合材料电导率为3.92S/m,而石墨烯含量为10.2vol%时,电导率为163.1S/m。可见石墨烯的存在大幅度提高了复合材料的电导率。

3 石墨烯-碳基材料复合材料
石墨烯除了能够和纳米粒子、高聚物复合外,还可以与其他碳基材料(碳纳米管、富勒烯等)组装形成复合材料,这些碳基材料可以相互组合而呈现出一些优越的性能。
研究人员采用水热法还原氧化石墨烯对碳纳米管-硫(CNT-S)纳米复合材料进行包覆,制备了石墨烯包覆CNT-S纳米复合材料。这种材料抑制了多硫聚合物的扩散,电化学测试结果表明,这种包覆结构能显著提高CNT-S复合材料的锂硫电池性能。多层石墨烯/碳纳米管复合粉体中碳纳米管的分散性明显优于一般化学气相沉积方法制备的碳纳米管,加入质量分数5%复合粉体的聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)的表面电阻明显降低。
石墨烯从一个新生儿迅速成为科学界的新宠,其优异性能逐渐被发掘,运用领域也不断地被开发,但也存在一些问题。对于石墨烯复合材料而言,主要有两个问题:1)石墨烯的低成本制备;2)如何将石墨烯均匀地分散在基体中(纳米尺度)。目前,石墨烯复合材料的制备和研究还主要停留在实验室阶段,大批量生产的技术尚未成熟。

通过第17期的石墨烯大讲堂,小伙伴们是否已经get到了基于石墨烯的复合材料的相关知识了呢?如果你有任何关于石墨烯的问题,都可以给我们留言哦,小编将在接下来的大讲堂里帮大家解疑答惑。
什么,这期没看够??!!别着急,石墨烯大讲堂未完待续,下期更精彩。敬请小伙伴关注,不要错过哦。
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