碳基復合材料制備及其電化學電極的分析

作者/童心昶，湖北黃岡中學

碳基復合材料制備及其電化學電極的分析

作者/童心昶，湖北黃岡中學

碳基復合材料只從在發現之后，就得到了人們廣泛關注，其中以石墨烯作為典型代表。碳基復合材料自身具有較多特殊性能，例如機械強度較高、熱穩定性能良好。正式由于這些特殊性能讓碳基復合材料在傳感器、納米電子器件等領域上廣泛應用，具有良好發展前景。本文就對碳基復合材料中的石墨烯作為研究對象，希望能夠對碳基復合材料制備及其電化學電極全面了解。

碳基復合材料；制備；電化學電極

1.石墨烯基本性質與制備

■1.1 石墨烯基本性質

石墨烯是碳基復合材料內最具代表性的物質，進而通過對石墨烯了解碳基復合材料具有重要意義。碳作為自然界內常見化學元素之一，研究人員一直在對以碳為元素的材料進行研究，同時以碳為基礎元素的材料也不斷在人們生活及工作內應用。早在18世紀的時候，研究人員就已經發現了碳在雜化形成下所形成的金剛石與石墨；在19世紀的時候，研究人員發現了碳納米管。伴隨著研究人員的不斷深入研究分析，碳材料在類別及數量上不斷增加，研究人員的研究方向也開始存在差異，其中以石墨烯作為碳基復合材料代表研究最多。

石墨烯屬于半導體結構，能帶結構處于原有半導體與金屬之間。正常情況下，薛定諤方程能夠對材料的電子特性進行分析研究，但是該方程卻無法對石墨烯的電子特性進行表述。石墨烯上所載流子屬于相對論粒子，在與碳原子周期性作用之下就會產生新型準粒子，石墨烯要是處于低能狀態之下，主要可以通過維猶拉克方程進行表達[1]。

■1.2 石墨烯制備

石墨烯在被研究人員發現之后，石墨烯的制備也得到了研究人員的高度關注，進而對石墨烯物理性能與化學性能進行了解。研究人員對石墨烯制備研究一直都沒有停止過，在經過長期的分析研究之后，已經總結出幾種制備方式[2]。

.2.1機械剝離法

機械剝離法是由研究人員geim所發現的。機械剝離法主要就是通過膠帶紙對體積較大的石墨片進行剪薄，利用膠帶片上所具有的粘性獲取較薄的石墨片，在經過多次剪薄之后，能夠獲得單層石墨層，該石墨層也就是石墨烯。機械剝離法在制備石墨烯過程中，對石墨烯的晶格并不會造成任何影響，同時對所采取的樣品也不會遭受到污染，進而機械剝離法主要在石墨烯物理性能研究上應用。

機械剝離法在石墨烯制備過程中雖然具有較多優勢，但是還存在一定局限性。例如，石墨烯光吸收效率較為低下，基本上不會超過3%,想要獲取到石墨烯必須利用特定底岑，這樣才能夠對石墨烯的光學性能進行了解。與此同時，機械剝離法在獲取石墨烯過程中所包含的雜質數量較多，石墨烯含量十分有限，進而需要利用原子力顯微鏡進行觀察，整個制備工作量十分繁重。

1.2.2化學氧化還原法

石墨烯在發現之后雖然得到了研究人員高度關注，但是由于當時技術水平有限，進而在對石墨烯研究上主要還停留在其基礎性能上。截止到2007年，研究人員在化學氧化還原過程中能夠制備石墨烯，石墨烯制備數量得到了顯著提高，研究人員在對石墨烯研究上也不在局限與物理性質上。化學氧化還原法主要是通過增加不同石墨之間的間距的形式，讓單層石墨能夠在溶液的作用下分離。

石墨在氧化還原變化之后，層間距離增加，這樣石墨烯剝離也就更加容易，石墨烯制備產量也能夠得到提升，對石墨烯今后研究具有重要意義。但是化學氧化還原法在制備石墨烯過程中還存在一定漏洞。例如，在石墨氧化處理時，石墨碳碳鍵會受到破壞，含氧基團會進入到石墨結構內，在后期處理過程中含氧基團完全除去難度較高[3]。

2.石墨烯復合材料制備

石墨烯復合材料是包含的類別及數量較多，本文主要對無極納米機構材料與石墨烯所形成的復合材料制備進行研究。

■2.1 化學還原法

金屬納米材料在制備過程中最常應用的方法就是化學還原法。大多數金屬在還原劑的處理之后，就會形成納米結構金屬材料，其中還原劑應用最為廣泛的為硼氫化鈉。化學還原法在制備金屬納米材料上已經十分成熟，進而與金屬有關的石墨烯材料就經常應用化學還原法。但是幻雪還原方法所制備的石墨烯表面含氧基團的數量與氧化石墨之間存在較大差距，這樣就造成石墨烯不僅僅能夠在溶液內分離，同時對納米顆粒所具備的負載進行了限制。

■2.2 溶膠凝膠法

金屬氧化物制備最常見的方法就是溶膠凝膠法。溶膠凝膠法在制備過程中，主要是利用氯化物與醇鹽作為氧化物，完成水解與縮聚等化學反應，進而制備出多種金屬氧化物[4]。

■2.3 水熱反應法

無極納米晶材料制定最為有效的方法就是水熱法。正常情況下，水熱反應法在應用過程中主要是利用高壓釜提高空間范圍內的溫度。水熱反應法最為顯著的優點就是能夠有效提高納米材料表面結晶度，整個制備過程中并不涉及到退火、煅燒等流程。但是在水熱反應過程中，石墨還有可能進行氧化還原反應。水熱反映法能夠在一次反應過程中就完成石墨烯剝離與制備操作，直接制備出石墨烯復合材料。

不同石墨烯復合材料在制備過程中還有較多方法，現階段研究人員已經研究的石墨烯復合材料制備方法超過20種，但是研究人員對提升石墨烯復合材料密度及均勻性上還存在一定不足，需要研究人員不斷深入研究分析[5]。

3.結論

石墨烯自身具有良好的導電性，同時自身比表面積較高，進而在催化劑材料與傳感器上面有著良好發展前景。研究人員在對石墨烯物理性能及化學性能分析研究過程中，需要利用電化學測試形式，對石墨烯材料進行深入分析，真正發揮出石墨烯所具有的優勢。本文在對碳基復合材料分析研究過程中，以石墨烯復合材料作為研究對象，主要對石墨烯的制備進行探索，希望能夠有效推動碳基復合材料的發展。

＊ [1]黃海平,朱俊杰.新型碳材料—石墨烯的制備及其在電化學中的應用[J].分析化學,2011,07:963—971.

＊ [2]張杰,許家勝,王琳,錢建華.鈷酸錳/泡沫鎳復合電極材料的制備及其電化學性能研究[J/OL].電子元件與材料,2016(01).

＊ [3]邱飛龍,韓雪斌,王穎慧.微波法制備超級電容器電極材料的研究進展[J].廣州化工,2016,07:29—31.

＊ [4]李亮,庹鑫,李思博,佘瀟.無酶過氧化氫電化學傳感器材料的研究進展[J].武漢工程大學學報,2016,04:343—349+356.

＊ [5]蔡敏.超級電容器復合電極材料Ni(OH)_2/GO的制備及其電化學性能研究[J].化工技術與開發,2015,07:31—32.