淺談石墨烯材料的應(yīng)用研究

部天宇 山東省實(shí)驗(yàn)中學(xué)

前言

2004 年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)教授首次采用機(jī)械剝離法制備得到石墨烯材料。石墨烯是一種厚度僅為一個(gè)單原子層厚度的片狀二維納米材料，其晶格是由6個(gè)sp 雜化的碳原子構(gòu)成，為與苯環(huán)類(lèi)似的平面正六邊形結(jié)構(gòu)。石墨烯材料具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和機(jī)械性能，并且具有較高的理論比表面積，其理論比表面積值高達(dá)2630m /g，石墨烯由于其優(yōu)異的性能迅速成為各個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文重點(diǎn)闡述了石墨烯材料在鋰離子電池、增強(qiáng)高分子聚合物和吸波領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

1 石墨烯在鋰離子電池方面的應(yīng)用

石墨烯材料由于其優(yōu)良的導(dǎo)電性在鋰離子電池領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。Wu等人制備得到一種納米Co3O4顆粒均勻分布在石墨烯片上的復(fù)合材料，作為高性能鋰離子電池的陽(yáng)極材料，所制備的Co3O4納米顆粒的直徑約為10-30nm，其在石墨烯片上的均勻分散可以有效阻止石墨烯片的團(tuán)聚。這種Co3O4 /石墨烯納米復(fù)合材料具有優(yōu)異的性能，包括大的可逆容量，優(yōu)異的循環(huán)性能和良好的倍率性能，表明將Co3O4納米顆粒附著在石墨烯片上，可以最大限度地利用其電化學(xué)活性，同時(shí)表明石墨烯在高性能鋰離子電池儲(chǔ)能應(yīng)用中具有較好的應(yīng)用前景。

Wang等人通過(guò)兩步溶液相反應(yīng)的方法制備得到還原氧化石墨烯片（RGO）上負(fù)載Mn3O4納米顆粒的復(fù)合材料。與溶液中的自由顆粒生長(zhǎng)相比，在RGO片上選擇性生長(zhǎng)Mn3O4納米顆粒允許電絕緣的Mn3O4納米顆粒通過(guò)下面的導(dǎo)電石墨烯網(wǎng)絡(luò)連接到集電器。由于石墨烯基底和其上生長(zhǎng)的Mn3O4納米顆粒之間的緊密相互作用，在RGO片上的Mn3O4納米顆粒顯示出高達(dá)約900mAh/g的高比容量，接近其理論容量，同時(shí)該材料具有良好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。該Mn3O4/RGO復(fù)合材料在用于高容量、低成本和環(huán)境友好型的鋰離子電池陽(yáng)極材料方面具有良好的前景。

Zhou等人通過(guò)在石墨烯納米片之間原位還原氫氧化鐵的方法來(lái)制備得到Fe3O4顆粒均勻分布于石墨烯片上的復(fù)合材料，該石墨烯納米片/Fe3O4復(fù)合材料，在35mA/g下進(jìn)行30次循環(huán)后顯示出的可逆比容量接近1026mAh/g，在700mA/g下進(jìn)行100次循環(huán)后顯示出的可逆比容量接近580mAh/g，該材料具有提高的循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異的倍率性能，可用于性能良好的鋰離子電池材料。

2 石墨烯在增強(qiáng)高分子聚合物方面的應(yīng)用

對(duì)于制備高性能石墨烯基納米復(fù)合材料，由于石墨烯片之間具有很強(qiáng)的界面結(jié)合力，并且其具有很大的表面惰性，從而使石墨烯納米片在聚合物主體中的分散性和精確的界面控制非常具有挑戰(zhàn)性。Fang等人報(bào)道了一種功能化石墨烯納米片的有效方法。他們通過(guò)重氮加成反應(yīng)將引發(fā)劑分子共價(jià)嫁接到石墨烯納米片表面，隨后的原子轉(zhuǎn)移自由基聚合，將聚苯乙烯鏈（82wt%的接枝效率）連接到石墨烯納米片上。由于石墨烯納米片的阻礙效應(yīng)，與純聚合物相比，該聚苯乙烯復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度提高了約15℃。當(dāng)石墨烯添加量為0.9wt%時(shí)，該聚苯乙烯納米復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量分別提高了約70%和57%，其對(duì)于優(yōu)化石墨烯高分子復(fù)合材料的加工性能和界面結(jié)構(gòu)提供了可行性方案。

Rafiee等人對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂添加石墨烯納米片復(fù)合材料的機(jī)械性能進(jìn)行了研究，其中添加的納米材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1wt%。結(jié)果表明，石墨烯增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的楊氏模量提高了約31%，拉伸強(qiáng)度提高約40%，斷裂韌性提高約53%。復(fù)合材料具有優(yōu)異機(jī)械性能的原因?yàn)槭┢哂休^大的比表面積，且其具有褶皺表面，因此可以與高分子機(jī)體形成較強(qiáng)的粘結(jié)或互鎖，同時(shí)石墨烯材料的片狀二維結(jié)構(gòu)，也有利于增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械性能。

石墨烯納米片由于具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，在科學(xué)和工程領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。隨著簡(jiǎn)易制備和高產(chǎn)率的實(shí)現(xiàn)，石墨烯在高分子納米復(fù)合材料方面也得到了實(shí)際的應(yīng)用。Zhao等人通過(guò)一種簡(jiǎn)易的水溶液的制備方法，得到了一種充分剝離的石墨烯納米片增強(qiáng)的聚乙烯醇復(fù)合材料。研究表明，當(dāng)復(fù)合材料內(nèi)石墨烯含量為1.8vol%時(shí)，其拉伸強(qiáng)度較基體增加了約150%，楊氏模量比基體提高了近10倍。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與楊氏模量理論模擬的對(duì)比，表明石墨烯納米片大部分隨機(jī)分散在復(fù)合薄膜中。

3 石墨烯在吸波方面的應(yīng)用

石墨烯材料由于其大的比表面積以及良好的電學(xué)性能成為吸波領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。Xu等人通過(guò)一種簡(jiǎn)單的溶劑熱的方法獲得了一種Fe3O4空心球負(fù)載在還原氧化石墨烯片上的復(fù)合材料，該Fe3O4空心球的外徑大約為395nm，球殼厚度約為100nm，其均勻分布在還原氧化石墨烯片的兩面。當(dāng)樣品中Fe3O4/RGO的含量為30wt%，樣品厚度為2.0mm時(shí)，該樣品在12.9GHz處的最大 反射損失值為-24dB，并且其有效吸收帶寬（＜-10dB）可達(dá)4.9GHz（10.8-15.7GHz）。研究結(jié)果表明，復(fù)合材料良好的微波吸收性能，主要?dú)w因于介電損耗和磁損耗。

Zhang等人通過(guò)一種溫和的水熱法大規(guī)模制備得到了MnFe2O4納米顆粒，隨后采用超聲處理方法制備得到RGO/MnFe2O4復(fù)合材料，并研究了RGO/MnFe2O4/PVDF復(fù)合材料的微波吸收性能。研究結(jié)果表明，當(dāng)填料含量為5wt%時(shí)，復(fù)合材料吸波性能最佳。其在9.2GHz處達(dá)到最大反射損失值為-29dB，有效吸收帶寬（＜-10dB）可從8.00-12.88GHz。該復(fù)合材料優(yōu)異的吸波性能主要?dú)w因于介電損耗、磁損耗和各組分之間的協(xié)同效應(yīng)。

4 結(jié)論

石墨烯材料由于具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和機(jī)械性能，使其在鋰離子電池、增強(qiáng)高分子聚合物和吸波等方面都取得了良好的研究成果。在下一步的研究中，對(duì)石墨烯進(jìn)行改性或以石墨烯為基體制備多元復(fù)合材料的研究會(huì)越來(lái)越多，從而使石墨烯在各個(gè)領(lǐng)域具有更加廣闊的應(yīng)用前景。