碳基復(fù)合材料制備及其電化學(xué)電極的分析

作者/童心昶，湖北黃岡中學(xué)

碳基復(fù)合材料制備及其電化學(xué)電極的分析

作者/童心昶，湖北黃岡中學(xué)

碳基復(fù)合材料只從在發(fā)現(xiàn)之后，就得到了人們廣泛關(guān)注，其中以石墨烯作為典型代表。碳基復(fù)合材料自身具有較多特殊性能，例如機(jī)械強(qiáng)度較高、熱穩(wěn)定性能良好。正式由于這些特殊性能讓碳基復(fù)合材料在傳感器、納米電子器件等領(lǐng)域上廣泛應(yīng)用，具有良好發(fā)展前景。本文就對碳基復(fù)合材料中的石墨烯作為研究對象，希望能夠?qū)μ蓟鶑?fù)合材料制備及其電化學(xué)電極全面了解。

碳基復(fù)合材料；制備；電化學(xué)電極

1.石墨烯基本性質(zhì)與制備

■1.1 石墨烯基本性質(zhì)

石墨烯是碳基復(fù)合材料內(nèi)最具代表性的物質(zhì)，進(jìn)而通過對石墨烯了解碳基復(fù)合材料具有重要意義。碳作為自然界內(nèi)常見化學(xué)元素之一，研究人員一直在對以碳為元素的材料進(jìn)行研究，同時以碳為基礎(chǔ)元素的材料也不斷在人們生活及工作內(nèi)應(yīng)用。早在18世紀(jì)的時候，研究人員就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了碳在雜化形成下所形成的金剛石與石墨；在19世紀(jì)的時候，研究人員發(fā)現(xiàn)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(shù)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(fù)合材料代表研究最多。

石墨烯屬于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，能帶結(jié)構(gòu)處于原有半導(dǎo)體與金屬之間。正常情況下，薛定諤方程能夠?qū)Σ牧系碾娮犹匦赃M(jìn)行分析研究，但是該方程卻無法對石墨烯的電子特性進(jìn)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(chǎn)生新型準(zhǔn)粒子，石墨烯要是處于低能狀態(tài)之下，主要可以通過維猶拉克方程進(jìn)行表達(dá)[1]。

■1.2 石墨烯制備

石墨烯在被研究人員發(fā)現(xiàn)之后，石墨烯的制備也得到了研究人員的高度關(guān)注，進(jìn)而對石墨烯物理性能與化學(xué)性能進(jìn)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(jīng)過長期的分析研究之后，已經(jīng)總結(jié)出幾種制備方式[2]。

.2.1機(jī)械剝離法

機(jī)械剝離法是由研究人員geim所發(fā)現(xiàn)的。機(jī)械剝離法主要就是通過膠帶紙對體積較大的石墨片進(jìn)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(jīng)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(jī)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(jìn)而機(jī)械剝離法主要在石墨烯物理性能研究上應(yīng)用。

機(jī)械剝離法在石墨烯制備過程中雖然具有較多優(yōu)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?qū)κ┑墓鈱W(xué)性能進(jìn)行了解。與此同時，機(jī)械剝離法在獲取石墨烯過程中所包含的雜質(zhì)數(shù)量較多，石墨烯含量十分有限，進(jìn)而需要利用原子力顯微鏡進(jìn)行觀察，整個制備工作量十分繁重。

1.2.2化學(xué)氧化還原法

石墨烯在發(fā)現(xiàn)之后雖然得到了研究人員高度關(guān)注，但是由于當(dāng)時技術(shù)水平有限，進(jìn)而在對石墨烯研究上主要還停留在其基礎(chǔ)性能上。截止到2007年，研究人員在化學(xué)氧化還原過程中能夠制備石墨烯，石墨烯制備數(shù)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(zhì)上。化學(xué)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(chǎn)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(xué)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(tuán)會進(jìn)入到石墨結(jié)構(gòu)內(nèi)，在后期處理過程中含氧基團(tuán)完全除去難度較高[3]。

2.石墨烯復(fù)合材料制備

石墨烯復(fù)合材料是包含的類別及數(shù)量較多，本文主要對無極納米機(jī)構(gòu)材料與石墨烯所形成的復(fù)合材料制備進(jìn)行研究。

■2.1 化學(xué)還原法

金屬納米材料在制備過程中最常應(yīng)用的方法就是化學(xué)還原法。大多數(shù)金屬在還原劑的處理之后，就會形成納米結(jié)構(gòu)金屬材料，其中還原劑應(yīng)用最為廣泛的為硼氫化鈉。化學(xué)還原法在制備金屬納米材料上已經(jīng)十分成熟，進(jìn)而與金屬有關(guān)的石墨烯材料就經(jīng)常應(yīng)用化學(xué)還原法。但是幻雪還原方法所制備的石墨烯表面含氧基團(tuán)的數(shù)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(nèi)分離，同時對納米顆粒所具備的負(fù)載進(jìn)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(xué)反應(yīng)，進(jìn)而制備出多種金屬氧化物[4]。

■2.3 水熱反應(yīng)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(yīng)法在應(yīng)用過程中主要是利用高壓釜提高空間范圍內(nèi)的溫度。水熱反應(yīng)法最為顯著的優(yōu)點(diǎn)就是能夠有效提高納米材料表面結(jié)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(yīng)過程中，石墨還有可能進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。水熱反映法能夠在一次反應(yīng)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(fù)合材料。

不同石墨烯復(fù)合材料在制備過程中還有較多方法，現(xiàn)階段研究人員已經(jīng)研究的石墨烯復(fù)合材料制備方法超過20種，但是研究人員對提升石墨烯復(fù)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(jié)論

石墨烯自身具有良好的導(dǎo)電性，同時自身比表面積較高，進(jìn)而在催化劑材料與傳感器上面有著良好發(fā)展前景。研究人員在對石墨烯物理性能及化學(xué)性能分析研究過程中，需要利用電化學(xué)測試形式，對石墨烯材料進(jìn)行深入分析，真正發(fā)揮出石墨烯所具有的優(yōu)勢。本文在對碳基復(fù)合材料分析研究過程中，以石墨烯復(fù)合材料作為研究對象，主要對石墨烯的制備進(jìn)行探索，希望能夠有效推動碳基復(fù)合材料的發(fā)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(xué)中的應(yīng)用[J].分析化學(xué),2011,07:963—971.

＊ [2]張杰,許家勝,王琳,錢建華.鈷酸錳/泡沫鎳復(fù)合電極材料的制備及其電化學(xué)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(jìn)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(xué)傳感器材料的研究進(jìn)展[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào),2016,04:343—349+356.

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