石墨烯复合材料的制备、结构及性能研究

【摘要】石墨烯是一种由碳原子紧密堆积成的、具有蜂窝状晶格结构的二维碳质材料,因其具有密度小、比表面积大等特点,而且在力学、电学、光学等方面具有很多独特而优异的性能,已成为物理、化学和材料科学领域的研究热点。然而,石墨烯由于具有大的表面能极易团聚,因此难以在水和常用有机溶剂中均匀分散,从而极大限制了其应用。而用其他功能性纳米材料实现石墨烯的杂化复合,在解决石墨烯自身团聚问题的同时,也能赋予石墨烯本身所不具备的优异性能,因此在诸多领域都有着广阔的应用前景。目前,石墨烯的杂化复合功能化仍面临很多亟待解决的问题,比如如何利用简单方法实现石墨烯与其他纳米粒子的杂化复合和有序聚集组装,如何在将石墨烯及石墨烯基杂化粒子应用于聚合物复合材料体系时,以实现其在聚合物基体中的均匀分散和(或)定向排列等。本论文针对如上这些问题,开展新型石墨烯及石墨烯杂化粒子的非共价构筑方面的研究工作,深入研究了石墨烯及石墨烯杂化粒子结构与性能之间的关系,同时探索了石墨烯及石墨烯杂化粒子在制备高性能高分子纳米复合材料及超级电容器电极材料等方面的应用。主要研究结果如下：(1)利用氧化石墨烯(GO)片层上的芳香共轭结构与原始碳纳米管(CNTs)管壁上芳香共轭结构之间的π-π相互作用等非共价作用,用GO作为新型二维分散剂实现了原始CNTs在水中的均匀分散,并形成具有三维纳米结构的GO-CNT杂化粒子；同时,由于GO片层对具有不同外径的原始CNTs具有不同的分散效果,可以实现GO片层在水中对不同外径的原始CNTs的分拣和富集作用,有效拓展了GO在胶体化学及其他领域中的应用。(2)用简单抽滤法将水中均匀分散的GO-CNT杂化粒子组装在微孔滤膜表面,实现了二维GO片层在宏观组装体薄膜材料中的取向排列,获得了自支撑GO-CNT杂化薄膜。经化学还原和聚苯胺(PANI)纳米粒子表面负载后,杂化薄膜可直接作为柔性电极材料用于超级电容器方面的研究。G-CNT杂化薄膜良好的柔韧性和导电性能以及均匀负载的高比电容PANI纳米粒子,使得负载PANI纳米粒子的G-CNT杂化薄膜具有较高的比电容值和良好的循环稳定性,是一种非常理想的超级电容器电极材料。(3)利用功能化CNTs与石墨烯片层之间的π-π相互作用等非共价作用,使得功能化CNTs在水中由GO还原成石墨烯的过程中能起到稳定分散石墨烯的作用,同时,功能化CNTs与石墨烯片层之间会形成新型的具有三维纳米结构的G-CNT杂化粒子。用溶液浇膜法实现了该纳米粒子在聚乙烯醇(PVA)基体中的均匀分散。由于功能化CNTs与石墨烯片之间以及杂化粒子与PVA基体之间都存在强的界面相互作用,杂化粒子作为新型填料粒子能显著提高PVA基体材料的力学性质和热稳定性。(4)利用钠离子对碱水分散液中石墨烯的絮凝作用,获得了钠离子插层的石墨烯絮状沉淀物,该沉淀物很容易经超声均匀分散在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)等常用有机溶剂中,该简易方法提供了不经功能化修饰即可实现石墨烯在有机溶剂中均匀分散的新思路。进一步用溶液浇膜法将此石墨烯片添加到热塑性聚氨酯(TPU)中,使TPU基体材料的力学性质、导电性质和热稳定性等都得到显著的改善,这为低成本制备石墨烯纳米复合材料提供了一种简单有效的方法。(5)利用石墨烯片层与水热碳球(CS)之间的氢键相互作用等非共价作用,实现了石墨烯片与CS在水中的共分散,同时获得了石墨烯-CS杂化粒子。用真空抽膜法诱导石墨烯-CS杂化粒子在微孔滤膜表面的取向排列,获得了具有良好柔韧性的宏观组装体薄膜材料,并可直接将其作为工作电极用于超级电容器方面的研究。该杂化薄膜的比电容值明显优于石墨烯薄膜和CS粉末,且具有很好的循环稳定性,是一种理想的超级电容器电极材料。(6)利用水中钠离子对带负电石墨烯片层以及蒙脱土(MMT)片层的“交联”作用,以及石墨烯片层与MMT片层之间的氢键相互作用,实现了MMT片层对石墨烯的稳定分散作用,对石墨烯的非共价功能化修饰及在水中的均匀分散提供了新的思路。经真空抽滤后实现了MMT及石墨烯片层在微孔滤膜上的沉积和取向排列,经转移操作后获得了自支撑杂化薄膜。该杂化薄膜具有良好的导电性及柔韧性,可以任意剪裁成所需形状。同时,该杂化薄膜具有良好的阻燃性能,经火焰灼烧处理后仍能保持完好的形态,这有效拓展了石墨烯基功能性薄膜复合材料的新用途。
【作者】张超；
【导师】刘天西；
【作者基本信息】复旦大学，高分子化学与物理，2013，博士
【关键词】石墨烯；杂化复合；自支撑薄膜；高分子纳米复合材料；超级电容器电极材料；

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