石墨烯在鎳磷化學復合鍍中的應用*

余佳潔,袁柯妍,宋志強,吳晨陽,邵國強

(浙江外國語學院化學系,浙江 杭州 310023)

化學鍍是一種依據氧化還原反應原理，在含有金屬離子的溶液中，將金屬離子還原成金屬而沉積在各種材料表面形成致密鍍層的方法，該技術具有工藝簡便、節能、環保等特點，目前已在電子、閥門制造、機械、石油化工、汽車、航空航天等工業中得到廣泛的應用。石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成的正六邊型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，具有優異的光學、電學和力學等性質，廣泛應用在傳感器、晶體管、柔性顯示屏、新能源電池、復合材料等方面。隨著石墨烯制備方法的開發和優化，人們對石墨烯的應用研究更是廣泛和深入。將石墨烯應用于化學鍍領域中，能展現石墨烯與鍍覆金屬的雙重性能。

1 石墨烯在鎳磷化學復合鍍中的應用

以石墨烯為基體，或以石墨烯作為增強相摻入，利用化學鍍鎳的技術,即可制備鎳磷-石墨烯復合鍍材料[1-3]。據現有文獻報道，研究石墨烯在化學鍍鎳中的應用,主要有以下幾個方面：

1.1 防腐材料

石墨烯以其優異的綜合性能、良好的化學惰性以及對腐蝕因素的物理隔離和屏蔽，在材料防腐蝕領域發揮了重要作用[4]。紫銅被廣泛應用在電子、機械和化工等行業，但其表面易被氧化，為了提高紫銅的耐蝕性能以適應特殊環境下的使用，姚俊合等[5]在發明專利中，首先將濃硝酸、濃硫酸和石墨烯混合，加熱得到氧化石墨烯，然后把氧化石墨烯作為增強相，以600 mg/L的量配制鎳磷-石墨烯化學復合鍍鎳液，在pH值為5、溫度80 ℃下，對紫銅進行化學鍍鎳，制備了鎳磷-石墨烯復合鍍層，實施結果為紫銅表面的石墨烯顆粒分布均勻，復合鍍層的硬度和耐蝕性能比單純的鎳磷合金鍍層更優異。盧民[6]在低碳鋼上進行鎳磷-還原氧化石墨烯化學復合鍍，工藝條件為溫度(86±2)℃，超聲功率150 W，施鍍時間120 min，攪拌速度400 r/min。實驗結果表明，當添加的還原氧化石墨烯質量濃度為 60 mg/L時，制得的復合鍍層為非晶結構，硬度最高，耐腐蝕性能最好。沈岳軍等[7]以鋁合金為基體進行鎳-石墨烯復合化學鍍，通過單因素試驗和正交試驗得到了鎳-石墨烯復合化學鍍的最佳工藝條件，石墨烯添加量為120 mg/L，pH值為5.0，溫度為88 ℃，沉積速率為13.55 μm/h，在鎳-石墨烯復合鍍層中，石墨烯粒子分布均勻，鍍層的顯微硬度為497.82 HV，耐硝酸變色時間為65.27 s。盡管鈦合金具有較強的耐腐蝕性能，但是在強酸性等環境下，也無法滿足使用要求。高平平等[8]采用化學鍍鎳技術在鈦板表面獲得氧化石墨烯涂層，測試結果表明，復合涂層具有優異的抗腐蝕性能，可以屏蔽腐蝕液對鈦基體的腐蝕。

1.2 抗斷裂、耐磨材料

石墨烯憑借具有的力學特性，不光能成為高強度材料，同時還有很好的韌性，可以彎曲變形，在復合材料領域有很好的應用。碳化鎢-鈷是一種高硬度、高耐磨硬質合金，為了提高其斷裂韌性，許星星等[9]首先對石墨烯納米片表面進行化學鍍鎳處理，然后讓表面已獲得一層包覆完整的納米鎳粒子的石墨烯，均勻地分散在碳化鎢-鈷粉末中，最后實施燒結工藝。當鎳包覆石墨烯質量分數為0.05%時，煅燒后的合金-石墨烯復合材料的裂韌性達到最大，有效發揮了石墨烯的拔出、裂紋橋接、裂紋偏轉以及裂紋分支等作用。劉洪光[10]首先利用化學鍍技術在石墨烯表面制備金屬鎳的鍍層，然后將仍保持片狀結構的鍍鎳石墨烯與經過噴霧造粒后的TiC0.7N0.3粉末進行混合，采用大氣等離子噴涂技術制備了復合涂層，為此有效地解決了石墨烯在復合涂層制備過程中由于高溫而被熔化的問題，使復合涂層達到了最佳的耐磨性能。張宇慧等[11]同樣為了解決石墨烯易團聚、高溫易燒損等問題，利用化學鍍鎳技術對石墨烯進行表面金屬鎳修飾，然后通過等離子噴涂技術制備了NiCoCrAlY-石墨烯復合涂層，復合涂層主要由非晶和微晶態組成，孔洞與裂紋數量顯著減少。

45#鋼廣泛應用于機械，但在某些環境中的耐磨性不夠理想，可以考慮應用化學的方法改進或提高其表面性質以滿足某些特定環境中使用的需要[12]。劉建建等[13]采用化學復合鍍技術在45#鋼基體上鍍覆鎳磷-石墨復合鍍層，鍍層中的納米石墨與鎳磷晶胞結合在一起，在摩擦磨損試驗中能起潤滑作用。與鎳磷合金鍍層相比，鎳磷-石墨復合鍍層的耐磨性明顯提高。黃俊雄等[14]同樣采用化學鍍技術在45#鋼基體上鍍覆鎳磷-石墨烯復合鍍層，結果表明，所得復合鍍層為非晶態結構，表面平整、均勻、致密，耐磨性最優。

1.3 吸波材料

吸波材料是一類能吸收或者大幅減弱其表面接收到的電磁波能量，從而減少電磁波的干擾的一類材料，具有質量輕、耐溫、抗腐蝕等性能，在日益重要的隱身和電磁兼容技術中，其作用和地位十分突出。

李國顯等[15]用化學鍍鎳方法制備石墨烯/鎳磁性納米復合材料，與石墨烯材料相比，經化學鍍鎳后，材料的微波吸收性能大大提高。究其原因，一方面是由于石墨烯具有大的比表面積，有利于更多的鎳粒子的沉積，另一方面石墨薄片存在大量的彎曲和褶皺，這容易形成很多夾角，使電磁波可以經過多次反射和吸收，從而使微波吸收性能增大。

方建軍等[16]利用化學鍍鎳技術在氧化石墨烯表面鍍上了均勻細小的鎳顆粒，并測試了鎳磷-石墨烯復合鍍層的磁學性能, 結果顯示，與未鍍鎳的石墨烯相比, 復合鍍層的吸波性有很大提高。李淑梅等[17]對石墨烯進行堿性化學鍍鎳，制備了鎳包覆的石墨烯復合材料，結果表明，表面包覆了非晶態鎳磷合金的石墨烯，電阻率達到4.5064 mΩ·m，明顯優于還原石墨烯的導電性，適合做電磁干擾材料。徐雙雙等[18]采用化學鍍鎳技術在還原氧化石墨烯表面均勻沉積金屬鎳納米顆粒，電磁參數測試結果顯示，鍍鎳石墨烯的電磁性能明顯提高，分析認為優異的電磁性能主要源自石墨烯與鐵磁性金屬鎳的電磁耦合作用，以及金屬鎳粒子納米尺寸效應導致的多次散射與反射。

1.4 環保材料

在水污染處理領域，石墨烯可作為載體制備高性能催化劑，催化污水中重金屬的轉化；也可作為重復使用的吸附劑，吸附水中的重金屬及有機染料、溶劑及泄露的原油等[19]。潘艷飛等[20]以木質纖維素為骨架，采用化學鍍鎳技術制備了理想的木質纖維素基Ni-NiO/納米石墨烯圓筒狀結構復合材料，這種磁性多孔光催化材料可用在工業廢水的處理。吳家安等[21]在化學鍍鎳廢水溶液中，通過一種有效回收鎳的方法，制備了氧化石墨烯-鎳鋁/層狀雙金屬氫氧化物-碳纖維復合材料，并將該材料應用于電吸附去除水中2,6-二氯苯酚，這種方法為化學鍍鎳廢液資源化處理提供了一條新途徑，具有較好的環保和經濟價值。

1.5 其它材料

石墨烯是學術界公認的最強最輕且導電性強的優質材料，在金屬基質中引入石墨烯，性能會變得更強。美國研究人員Scott Muller和Arun Nair[22-23]建立了鎳-石墨烯納米復合材料的模型,并在鎳基體中對石墨烯進行了結構排列，發現鎳-石墨烯納米復合材料的變形率可比純鎳提高30%，把它應用在輕質柔性的可穿戴電子設備上，市場潛力很大。康超群[24]以尼龍紗線為模板，通過化學鍍鎳和后續高溫還原煅燒工藝, 制備多孔中空的泡沫鎳紗線，進而利用該泡沫鎳紗線的毛細作用，吸附負載碳納米管和石墨烯等材料，構建了超級電容器電極并組裝全固態柔性線狀器件，為高性能線狀集流體和電極的研制探索了新的途徑。

燃料電池的常用催化劑是鉑等貴金屬材料，如何尋找價廉易得的納米金屬材料催化劑，時亞南[25]利用化學鍍鎳技術在磺化石墨烯的表面進行化學鍍鎳處理，實驗結果表明，沉積的納米鎳顆粒大小均勻，形貌規整，這種石墨烯納米鎳復合材料在常溫下可以有效地催化氧化甲醇、乙醇，有可能成為醇類燃料電池催化劑載體的首選材料。

氫能是公認的清潔能源，作為低碳和零碳能源正在脫穎而出。姜媛媛等[26]通過化學鍍鎳技術制備了石墨烯負載的復合材料，實驗結果表明, 此材料具有高電催化活性和穩定性，從而為低成本、高效率的水氧化非貴金屬電催化劑的制備提供了一條新思路。

2 結 語

石墨烯在鎳磷化學復合鍍中的應用研究，近些年來取得了一定進展，但作為新型材料，石墨烯材料表面實施化學鍍鎳的工藝優化，石墨烯作為增強相在基體中如何均勻分散，以及石墨烯的制備方法和質量優劣等問題，都是影響復合鍍層性能的因素，研究尚未形成完整的體系。未來的研究將是建立石墨烯在化學復合鍍中的理論體系，探索出成本低、鍍層厚度可控、能適用于工業化的鍍覆工藝。