新型二维碳材料_石墨烯在光催化分解水制氢中的研究进展(2)

、室温量子霍尔效应

[41]

(Room-TemperatureQuanturnHallEffect)、双极性电场效应(ambipolarelectricfieldeffects)、室温铁磁性s)

-1

[42][43]

、高的载流子迁移率(15000cm#V

2-1

#

、和永不消失的电导率等.以石墨烯制备的

纳米复合材料也表现出许多优异的性能,可以预见石墨烯在材料领域中将有着广泛的应用.

目前,对于石墨烯材料的研究主要集中在三个方面:(1)大规模、高质量单层和少层石墨烯的制备;(2)石墨烯的功能化;(3)石墨烯基功能材料的制备和应用研究.

2石墨烯的制备和可控功能化研究

石墨烯的许多应用亟需实现大规模、可重复地制备结构规整、厚度和尺寸可控的高质量石墨烯材料.近年来,人们在石墨烯的规模制备和可控制备方面取得了积极的进展,发展了微机械剥离、晶

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体外延生长、化学氧化-剥离-还原法、化学气相沉积

[46]

[32]

和有机合成

[47]

等多种制备方法.但

以上的这些方法都存在一定的不足,如机械剥离法虽然能得到大尺寸和高规整的单层石墨烯,但石墨烯的制备周期长、产率低,难以满足石墨烯大规模应用的要求;化学氧化-剥离-还原法产率较高,成本低,操作简单,是一种大规模制备石墨烯的有效方法,具有很强的工业应用前景.但是在氧化-剥离-还原的过程中,由于大量sp键的生成,导致石墨烯二维片层结构变形、扭曲、折叠,使其一些物理、化学等性能损失,尤其是导电性的缺失,严重影响材料的性能及后续的应用.晶体外延生长和化学气相沉积法所需设备昂贵,且反应条件较高;有机合成法适用于实验室研究,不适用于大规模生产,并且有机合成中形成的大分子的难溶性和副反应的发生都会影响到石墨烯的质量.另外,研,3

,在石墨烯

晶格中引入氮原子后变成氮掺杂石墨烯或氮化碳.这些石墨烯的衍生物表现出与石墨烯迥异的结构和性质,在微电子、复合材料、催化、储氢等领域有着重要的应用.

,

第2期 敏世雄等:新型二维碳材料)))石墨烯在光催化分解水制氢中的研究进展169

共价键功能化和非共价键功能化.其中石墨烯的共价键功能化是目前研究最为广泛的功能化方法.尽管石墨烯的主体部分由稳定的六元环构成,但其边沿及缺陷部位具有较高的反应活性,可以通过化学氧化-剥离的方法制备氧化石墨烯(Grapheneoxide)分散液.由于氧化石墨烯片层中含有大量的羧基、羟基和环氧键等活性基团,可以利用多种化学反应把

修饰基团引入到石墨烯二维晶体中对石墨烯进行共

价键功能化.通过这种方式在片层上接上指定的官能团使得石墨烯具有一些新的理化特性.共价键功能化又可大致分为有机小分子和聚合物大分子共价

[54]

键功能化.例如,Stankovich等利用异氰酸酯与氧化石墨上的羧基和羟基反应,制备了一系列异氰酸酯功能化的石墨烯(图

2).

图2异氰酸酯功能化石墨烯示意图[54]

Fig.2Proposedreactionsduringtheisocyanatetrentmentofgraphiteoxide

该功能化石墨烯可以在DMF等多种极性非质子溶剂中实现均匀分散,并能够长时间保持稳定.Haddon等借鉴了功能化碳纳米管的方法,利用

十八胺(ODA)上的氨基与氧化石墨烯中的羧基反应,制得长链烷基化学改性的石墨烯.该功能化石墨烯可以溶解于THF和CCl4等常用有机溶剂中.

[55]

Ye等

[56]

利用原子转移活性聚合技术制得活性

大分子引发剂,充分剥离氧化石墨得到氧化石墨烯,然后原位还原制得石墨烯,再在石墨烯上原位接枝聚苯乙烯一聚丙烯酰胺双亲性嵌段共聚物(图3),最终制得的嵌段共聚物接枝石墨烯可以同时在极性和非极性溶剂中得到有效分散

.

图3双亲共聚物聚苯乙烯一聚丙烯酰胺功能化石墨烯示意图[56]

Fig.3Proceduresforthepreparationofgraphene/PS-PAM

另外,研究人员也还报道了如二氨基烷烃(4<n<10)、三氯硅烷、重氮盐

及其他修饰改性石墨烯的方法.

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[59]

以达到改性石墨烯的目的.非共价键功能化又可大致分为P键功能化、离子键功能化和氢键功能化,使修饰分子对石墨烯进行表面功能化,形成稳定的分散体系.非共价键改性通常采用聚合物包覆的手段来改性石墨烯,这样能够最大程度地保留石墨烯修饰改性,以

非共价键功能化,既利用石墨烯的高表面能把携带功能官能团的微粒吸附到石墨烯表面,或者是

170 分 子 催 化 第25卷

小.非共价键改性一般与石墨烯自身的化学性质无关,但是石墨烯的高表面能和疏水性却给非共价键改性提供了思路.研究人员利用芳环化合物与石墨烯的P电子吸引对石墨烯进行改性研究.

[60]

Ruoff等利用高分子聚苯乙烯磺酸钠(PSS)修饰氧化石墨烯,然后对其进行化学还原,由于PSS与石墨烯之间有较强的非共价键作用,阻止了石墨烯片的聚集,使该复合物在水中具有较好的溶解性(1mg

/mL).

吸引物理学家关注的主要原因之一.在石墨烯中形成的没有质量的狄拉克一费米子是一种准粒子,具有类似于光子的特性,因此石墨烯是研究相对论和量子力学的绝好材料.石墨烯中的电子以光速的三百分之一运动,这为验证相对论,及量子效应提供经济的材料.石墨烯独特的电子结构为粒子物理中难以观察到的相对论量子电动力学效应的验证提供了便捷的手段.另外,弯曲石墨烯的量子电动力学现象研究可能有助于解决某些宇宙学问题,也引起了宇宙学家的极大兴趣.单原子层石墨烯的独特结构使得这些原本只能在黑洞或者重离子加速器中才可以发生的现象较为容易地被观测到.并且在石墨烯中,电子的能量和动量之间具有线性关系,而不是普通半导体的二次方关系,类似的新特性和奇特现象还有很多,正引起凝聚态物理学界的极大关注.

[74-78]

石墨烯在高性能纳米电子器件中的应用.石墨烯具有很好的导电性,当廉价大规模生产成为可能之后,极大地促进其在高传导率集成电路方面的应用,很有希望成为制作纳米级别电器件的最佳材料,取代硅成为下一代电子器件的主要材料.用它制成的电子器件尺寸更小耗能更低,速度却更快.利用高速的电子传输和优异的无散射传输特性,石墨烯可用来制作频率高至兆赫兹(THz)的晶体管.石墨烯结构在纳米尺度甚至只剩个六圆环时仍然稳定存在,这一性质对开发分子级别的电子器件具有深远的意义.

石墨烯在化学电源中的应用.新型的化学电源体系,尤其是二次电池和超级电容器是目前重要的/绿色0储能装置.各种碳材料,特别是sp杂化的碳材料,由于其特殊的层状结构、超大的比表面积而成为重要储能装置的电极材料.碳材料如无定形碳

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2

图4PmPV非共价键功能化的石墨烯带

[61]

Fig.4NoncovalentfunctionofgraphenenanoribbonwithPmPV

Dai等

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利用聚苯乙炔类高分子PmPV与石墨

烯之间的P-P相互作用,制备了PmPV非共价键功能化的石墨烯带.该功能化石墨烯在有机溶剂中具有良好的分散性(图4).其他的含有共轭结构的有机分子如芘及其衍生物噻吩)(PEDOT)

[63]

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和聚(3,4-二乙氧基

非共价键功能化的石墨烯,并将

其制成具有电催化性能的电极,并研究了其在染料敏化的太阳能电池中的应用.

3石墨烯及其复合功能材料的应用

与碳纳米管和富勒烯相比,石墨烯具有更为优异的电学性质,机械性能以及良好的导电性和化学稳定性,结合其特殊的单原子层平面二维结构及其高比 …… 此处隐藏：3006字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……