石墨烯复合材料

一石墨烯 Fe3O4 复合材料的制备及电磁波吸收性能 摘要 为扩展石墨烯的应用领域 对磁性功能化石墨烯的电磁波吸收性能进行研究 在氧化石墨与 Fe3O4 粒子的悬浮液中添加还原剂水合肼 微波辐照反应制备石墨烯 Fe3O4 复合物 采用 X 射线衍射 透射电镜等手段对材料的结构和 Fe3O4 的分布状态进行了测试表征 采用矢量网络分析仪测定了材料在 0 1 1 18 10 GHz 频率范围内的复介电常数和复磁导率 利用 Cole Cole 图解释了复合材料的介电特性 利用计算机模拟出不同厚度材料的电磁波衰减性能 结果表明 当石墨烯和 Fe3O4 粒子以质量比 10B 1复合得到的吸波剂材料的匹配厚度在 2 1 0 2 1 5 mm 变化时 反射损耗小于 20 dB 的频率覆盖 6 1 5 817 GHz 调节 Fe3O4 粒子的相对含量 复合材料的反射损耗最小可以达到 4917 dB 复合材料的强吸收特性预示了其作为电磁波吸收材料的潜在应用前景 石墨烯自 出现以来 其独特的力学 电学 光学及磁学性能便引起了广泛关注 石墨烯具有的特殊二维片状结构有利于对 电磁波的吸收 以此为基体负载铁氧体形成石墨烯 铁氧体复合材料 可以发挥以下优势 首先 石墨烯的电导率和热导率高 比表面积大 质量轻 这些性能有利于电磁波的吸收和衰减 其次 铁氧体粒子的引入可以增强石墨烯的铁磁性 使复合材料兼具磁损耗与电损耗 有利于实现电磁匹配 最后 铁氧体的反射率损耗一般发生在较低频率范围 10 GHz 而石墨材料的反射率损耗通常位于高频区 因此 两种材料的复合还有利于吸收频带的拓宽 结 论 通过在微波还原 GO 的过程中添加Fe3O4 粒子 制备出了石墨烯 Fe3O4 复合材料 1 Cole Cole 图显示 Fe3O4 粒子与石墨烯复合后 粒子与石墨烯形成界面使得复合材料具有多重介电弛豫 2 反射损耗的计算结果表明 单一的 Fe3O4粒子在匹配厚度为 2 10 4 10 mm 时不能实现有效吸收 与一定量的石墨烯复合后 反射损耗能够降低到 20 dB以下 其中以 GR Fe3O4 10 B1 为吸收剂的材料在匹配厚度在 2 10 2 15 mm 变化时 有效吸收频带可以覆盖 6 15 8 17 GHz 以 GR Fe3O4 10B2为吸收剂的材料在厚度为3 15 mm 频率为 417 GHz 时的最小反射损耗可以达到 4917 dB 石墨烯 Fe3O4 复合材料强吸收的特性以及石墨烯作为基底的广泛适用性为研究新型吸波材料提供了 新的思路 二石墨烯 Pd 复合材料的制备及其形成机制研究 近年来 越来越多的科学家致力于以氧化石墨为前驱体合成石墨烯 纳米金属或纳米金属氧化物 并研究其物理与化学性质 5 7 金属钯具有良好的亲氢性 在氢气储存 加氢反应催化剂 燃料电池及化学传感 器等方面有着广泛的应用前景 而且纳米金属颗粒与炭材料之间存在溢出效应 故这 两者的复合有望提高材料的储氢能力 3 结论1 以氧化石墨和具有良好插层性质的Pd en 2Cl2为前驱体 能通过化学还原法成 功制备出石墨烯 Pd复合材料 2 石墨烯 Pd复合材料具有中孔性质 其BET比表面积达230 m2 g 钯纳米颗粒的粒径为2 6 nm 弥散地分布在石墨烯的层间及层的边缘 3 纳米钯颗粒能阻止石墨烯重新堆积形成石墨结构 其支撑石墨烯层的作用是形成石 墨烯复合材料的关键 已有研究表明 石墨烯 Pd 复合材料在氢气贮存 加氢加成及传感器等方面有广泛的用途 14 三 石墨烯 聚苯胺纳米复合材料 石墨烯具有独特的纳米结构和一系列极具吸引力的特性 成为新型纳米复合材料的理想载体 如纳米复合材料分散的基体 提出了一种以石墨 苯胺 四氯化锡为原料制备石墨烯 二氧化锡 聚苯胺的新方法 通过 射线衍射 红外光谱 透射电子显微镜 扫描电子显微镜以及紫外 可见光谱对合成的材料进行表征 结果表明 二氧化锡纳米粒子原位吸附在石墨烯的表面 有效地避免了石墨烯片的堆叠 聚苯胺加入后可大大提高二氧化锡的电化学性质 石墨烯 具有一个原子层厚度的二维结构 因其化学稳定性 高电导率 大比表面积而成为电化学储能材料的理想碳材料 石墨烯纳米片还被作为锂离子电池的储能材料进行研究 如果锂可以黏附在石墨烯的两面 那它的储能容量为 但是 石墨烯片很容易堆叠成多层 从而减小表面积使其物理化学性能大大降低 近年来 人们通过将纳米粒子附着在石墨烯表面来降低石墨烯片的堆叠 纳米粒子可以是金属纳米粒子 如 等 也可以是金属氧化物 如 等 石墨烯基材料的完美性 有望应用到传感器 超级电容器 锂电池 催化剂等领域 但是这些复合材料都是通过纳米粒子和石墨烯的简单混合得到的 限制了纳米粒子的均匀分散和石墨烯片的有效分离 过渡金属氧化物 等 因其高容量而被研究作为锂离子电池负极材料 其中 最为引人瞩目 在这个可逆反应中 二氧化锡的理论比容量是 但是在锂离子的嵌入和迁出过程中 二氧化锡纳米粒子很容易发生体积膨胀 从而降低电池的循环寿命 因此采用石墨烯表面负载 的方法制备纳米复合材料 这样不仅降低石墨烯片的堆叠度 也提高了 的储能能力 为了提高电解质离子的转移 通过在石墨烯表面附着导电聚合物 不仅可以进一步拉大石墨烯片的层间距 而且聚合物链的运动使电解质离子更好地迁移 层间距拉大的石墨烯更好地作为锂离子电池电极材料 在此 提出了一种简便合成石墨烯 聚苯胺的高性能锂电池负极材料的方法 成功地合成了石墨烯 聚苯胺纳米复合材料 结果表明 二氧化锡 聚苯胺很好地附着在石墨烯上形成三明治状的复合结构 聚苯胺和二氧化锡的附着可以有效地解决石墨烯的堆叠问题 石墨烯和聚苯胺的介 入又可以很好地抑制二氧化锡的体积膨胀问题 从而可以进一步提高电极材料的电学性质 使得这种材料成为一种理想的锂离子电池负极材料 可以期望将此方法应用到石墨烯基其他金属氧化物中 从而得到广泛的应用 四石墨烯 TiO2复合材料的制备及其光催化性能的研 究 TiO2颗粒由于具有较高的化学稳定性 热稳定性以及优良的光学 力学和电学特性 被应用于诸多工业领域 其中锐钛型 TiO2具有良好的光催化活性 尤其是当颗粒尺寸降到纳米级别时 催化能力更好 在 催化降解环境有机污染物方面具有广泛的应用 碳材料在催化中有着极为重要的应用 被广泛用做催化剂的载体 也可以直接作为许多反应的催化剂 5 由于石墨烯是构建众多碳材料包括石墨 碳纳米管 碳纳米纤维和类富勒烯材料的基本单元 6 具有独特的二维表面结构 良好的导电导热性质以及很高的比表面积 可将某些具有催化活性的材料负载在石墨烯表面使其成为新一类石墨烯功能复合材料 结论 采用溶胶 凝胶法成功制备出石墨烯 TiO2光催化复合材料 在紫外光照射下 以甲基橙光催化降解体系为研究对象 石墨烯 TiO2复合材料用量为2 g L 紫外光照为3 5 h 目标降解物初始 pH 为5 时具有最好的催化活性 在同等条件下 石墨烯 TiO2复合材料光催化降解效果比单一锐钛矿型 TiO2的效果好 五石墨烯 铂复合材料的制备及电化学性能 研究 采用 Hummers 法制备氧化石墨 再超声分散于去离子水中形成稳定的氧化石墨分散液 分散液与氯铂酸溶液混合后 氧化石墨烯还原氯铂酸产生大量铂纳米粒子 铂粒子被 牢固地锚在氧化石墨烯片上 最后将所得到的氧化石墨烯 铂复合物置于管式炉中在 Ar H2气氛中于 800 下热裂解制备出石墨烯 铂复合材料 形貌与纳米结构分析表明 氧化石墨已被彻底 还原成石墨烯 铂纳米粒子均匀分散在褶皱的石墨烯纳米片间 电化学阻抗研究进一步揭示复合材料的电子转移阻抗明显小于石墨烯 呈示铂纳米粒 子掺入石墨烯片层大大改善了导电性 石墨烯 铂复合材料应用于对苯二酚的电化学检测 检出限达 1 6 10 7mol L 1 这说明该材料具有优异的电催化性能 结论 利用氧化石墨烯和氯铂酸的原位氧化还原反应不仅实现了氯铂酸的彻底还原 而且所形成的铂纳米粒子被均匀地锚在氧化石墨烯片层上 结合高温固相还原 成功开发出高性能的石墨烯 铂复合材料 新的方法具有简便 绿色和高效等显著特点 可广泛应用于以满足催化剂和电化学传 感器需要为目的的铂 金 钯等贵金属的石墨烯复合材料的合成 六石墨烯 TiO2复合材料的制备及其光催化性能的研究 摘要 本实验以细鳞片石墨为原料 采用 Hummers 法制备氧化石墨 经超声波振荡得到氧化石墨烯 加入水合肼回流制得石墨烯材料 采用溶胶 凝胶法制备锐钛矿型 TiO2及石墨烯 TiO2复合材料 在紫外光照射下 分别以石墨烯 TiO2复合材料及锐钛矿型 TiO2为催化剂 在甲基橙溶液中进行光催化降解 结果显示 石墨烯 TiO2光催化性能明显高于相同条件下的锐钛矿型 TiO2 TiO2颗粒由于具有较高的化学稳定性 热稳定性以及优良的光学 力学和电学特性 被应用于诸多工业领域 其中锐钛型 TiO2具有良好的光催化活性 尤其是当颗粒尺寸降到纳米级别时 催化能力更好 在 催化降解环境有机污染物方面具有广泛的应用 1 2 碳材料在催化中有着极为重要的应用 被广泛用做催化剂的载体 3 4 也可以直接作为许多反应的催化剂 5 由于石墨烯是构建众多碳材料包括石墨 碳纳米管 碳纳米纤维和类富勒烯材料的基本单元 6 具有独特的二维表面结构 良好的导电导热性质以及很高的比表面积 可将某些具有催化活性的材料负载在石墨烯表面使其成为新一类石墨烯功能复合材料 本课题以石墨烯为载体 利用溶胶 凝胶法制备石墨烯 TiO2光催化复合材料 同时 以甲基橙光催化降 结论 采用溶胶 凝胶法成功制备出石墨烯 TiO2光催化复合材料 在紫外光照射下 以甲基橙光催化降解体系为研究对象 石墨烯 TiO2复合材料用量为2 g L 紫外光照为3 5 h 目标降解物初始 pH 为5 时具有最好的催化活性 在同等条件下 石墨烯 TiO2复合材料光催化降解效果比单一锐钛矿型 TiO2的效果好 七石墨烯 环氧树脂复合材料的介电性能研究 摘 要 通过 法制备了完全氧化的氧化石墨 并通过高温热膨胀制备了单层石墨烯 用 和 对 的氧化程度 含氧官能团进行了表征 用 和 对天然石墨 和 的微观结构进行了分析 利用 超声共混法制备了 环氧树脂介电纳米复合材料 介电性能的测试表明 的加入使环氧树脂介电常数大幅提高 当 添加量为 质量分数 时 材料介电常数达到 是纯环氧树脂的 倍 介电损耗 这为石墨烯在介电储能方面的应用和低成本介电复合材料的制备提供了新思路 八石墨烯 聚吡咯复合材料的制备及其导电性能研究 摘 要 在超声条件下通过原位聚合反应制备出石墨烯 聚吡咯导电复合材料 用红外光 谱 扫描电镜 和透射电镜 等分析手段对复合材料的结构进行表征 结果表明 聚吡咯均匀地包覆在石墨烯的表 面 热重分析 和电导率测试结果显示复合材料相对于纯聚吡咯具有更好的热稳定性和电导率 这可 能得益于原位聚合中聚吡咯基体中的石墨烯纳米薄片的高电导率和高比表面积 结论 采用 和对甲苯磺酸钠分别作为氧化剂和掺杂剂 通过超声荡下的原位聚合反应成功 制备了石墨烯 聚吡咯纳米复合材料 和 测试结果表明聚吡咯与石墨烯均匀地复合 提高了整个复合材料的导电性 且方 便加工成型 热重分析结果说明石墨烯 聚吡咯复合材料具有比纯的聚吡咯更高的热 稳定性 当石墨烯和聚吡咯质量比为 时 复合材料的电导率为 九石墨烯 聚合物纳米复合材料制备与微波吸收性能研究进展 摘要 二维片状的石墨烯不仅具有优异的力学 热学和电学性能 而且还具有较好的 微波吸收特性 自它被发现以来 一直受到科学界的广泛关注 目前已有学者将其与 聚合物复合 制备了石墨烯 聚合物纳米复合材料 这种新型微波吸收材料不仅吸波 效果好而且密度小 易加工 目前石墨烯 聚合物纳米复合材料用于微波吸收的报道 还比较少 该研究基本处于起步阶段 本文首先概述了石墨烯独特的物理结构优异的 力学 热学 电学性能 然后综述了石墨烯 聚合物纳米复合材料的制备方法 并分 析了其微波吸收机理 最后结合国内外研究现状展望了石墨烯 聚合物纳米复合材料 制备与微波吸收性能研究的发展方向 指出调控复合材料的微观形貌 对石墨烯进行 磁性掺杂 探索石墨烯与聚合物微波吸收的协同效应将成为今后研究的重点和热点 结论与展望 自石墨烯于 年被发现以来 有关石墨烯及其复合材料的研究报道呈指数增长 研究取得了较大进步 二维片状石墨烯具有独特的力学 电学和热学性能 将 其与聚合物复合后可得到密度小 易加工 吸波效果好的新材料 然而有关石墨烯 聚合物纳米复合材料用于微波吸收的报道还比较少 该研究基本处于起步阶段 有关 这方面研究将朝以下方向发展 对石墨烯 聚合物纳米复合材料的微观形 貌进行调控 进一步提高复合材料的微波吸收性能 例如 将复合材料制成纳米管状 或中空球状 改善其吸波性能的同时 还可降低材料的密度 将石墨烯进行磁性掺杂后再与导电聚合物复合 制备兼具磁损耗和电损耗的微波 吸收材料 在调控电磁参数的同时拓宽吸收频带 研究石墨烯 聚合物纳米复合材料的微波吸收机理 以及石墨烯与聚合物在微波 吸收上的协同效应 研究如何实现石墨烯 聚合物纳米复合材料的大规模合成和产业化应用 十石墨烯 偶氮杂化材料研究进展 摘要 石墨烯作为一种新型二维平面纳米材料 表现出许多优异的物理性质 含偶氮苯的化合物和聚合物作为功能材料具有独特的光响应性质 将石墨烯的特性与偶氮材料的光响应性相结合 有望发展一类具有卓越性能的新型光电功能材料 展望 如上所述 最近几年石墨烯的发现和深入研究为光电功能材料领域的发展注入了新的活力 石墨烯 偶氮杂化材料结合了石墨烯与偶氮聚合物等材料的特点和功能性 有望改善并展现出新的光电功能性 目前 已报道的石墨烯 偶氮杂化材料包括 石墨烯表面接枝偶氮聚合物 小分子偶氮分子共价结合的氧化石墨烯 静电层 层自组装薄膜等 这些材料表现出增强偶氮材料表面起伏光栅衍射效率 光调控电导率变化和良好电化 学电极性能等功能性 基于这些研究进展有望发展性能更加优越的光电功能材料和器件等 目前 对于石墨烯 偶氮杂化材料这一崭新课题的研究仍处于起步阶段 为了充分了解石墨烯 偶氮杂化材料的本征态和聚集态结构以及功能性等 并进一步发掘这类新型材料的优异性能和应用潜能 需要进一步系统探索石墨烯 偶氮杂化材料制备新方法 探索利用共价键 分子间非共价键相互作用等实现功能化的新方法 通过反应控制实现精确的结构裁剪 深入研究偶氮苯基团类型 接枝位点位置 官能化度等因素对杂化材料结构和性能的 影响 并深入研究杂化材料在光场 电场条件下的物理性质 这些研究将为发现新的物理现象 研制新材料 并最终实现功能器件应用等奠定坚实的基础 十一石墨烯 银复合薄膜的制备及表征 摘要 采用静电自组装技术 通过交替沉积聚 二烯丙基二甲基氯化铵 PDDA 或硝酸银 和 氧化石墨烯 制备氧化石墨烯 PDDA薄膜和氧化石墨烯 硝酸银复合薄膜 然后在 600 下通入氩气和氢气进行气氛还原得到石墨烯薄膜和石墨烯 银复合薄膜 采 用 AFM SEM XPS UV Vis 以及四探针电阻仪等对薄膜结构及性质进行表征 结果表明 通过静电自组装法可以获得生长均匀的薄膜 对比于相同自组装次数的石 墨烯薄膜 石墨烯 银复合薄膜具有更好的透光性和更低的薄膜方块电阻 在 500 nm 时 四层石墨烯 银复合薄膜的透过率为 85 左右 而石墨烯薄膜的透过率为 72 左右石墨烯薄膜的方阻为 161 39 k 1 而石墨烯 银复合薄膜的方阻为 99 11 k 1 结论 采用静电自组装技术和 Ar H2还原工艺 成功制备出生长均匀的石墨烯 银复合薄膜 XPS 检测证明了银粒子的存在 相比于石墨烯薄膜 石墨烯 银复合薄膜具有较优的光 电性能 其 500 nm 处透过率为 85 而石墨烯薄膜仅为 72 薄层方块电阻为 99 11 k 1 而石墨烯薄膜为 161 39 k 1 研究结果表明银的加入可以同时改善薄膜的透光性和导电性 由于银含量较少 0 02at 因此在后续研究中将进一步考察银含量对薄膜性能的影响 十二石墨烯表面接枝聚 3 己基噻吩 分子刷的制备与表征 摘要 结合高效率重氮盐加成和 Kumada 催化 转移缩聚反应 KCTP 聚 3 己基噻吩 P3HT 被共价接枝在石墨烯 GN 表面 形成聚合物分子刷 P3HT GN 通过重氮盐偶合反应 溴苯分子首先被共价连接在氧化还原方法制备的 GN 表面 由此锚固的 Ni PPh3 4随后引发 3 己基噻吩的催化 转移聚合 原子力显微和热失重分析结果表明 接枝GN 表面的 P3HT 分子刷厚度约为 5 nm 重量分数为 20 1 当假设 P3HT 以伸直链构象接枝在 GN 表面时 估计的接枝密度为每 6 53 nm2含有 1 个 P3HT 链 链间平均距离为 2 556 nm P3HT GNs 的 X 射线衍射在扫描范围内没有 GN 层间衍射峰出现 表明接枝后的 GN 是很好剥离的 P3HT GN 的紫外 可见光谱在 300 500 nm 范围内显示有比纯 P3HT 更弱的吸收峰 表明 P3HT 与 GN 之间存在显著的相互 作用 与 X 射线光电子能谱中增大的氧化噻吩环含量的结果是一致的 P3HT 与 GN 的强相互作用使得光诱导产生的荧光几乎完全被淬灭 量子产率仅为 0 042 相当于纯 P3HT 的 1 80 显示了突出的电荷转移效率 结论 报道一种将 P3HT 共价接枝到 GN 表面形成P3HT 分子刷的新方法 制备的分子刷具有显著的电荷转移效率 制备过程包括 3 个主要环节 1 用氧化 还原方法在表面活性剂存在下制备GN 2 通过重氮盐加成反应在 GN 表面引入溴苯官能团 3 溴苯官能团锚固催化剂 Ni PPh3 4在 GN 表面 并通过 KCTP 在 GN 表面生长 P3HT分子刷 利用显微 波谱及热分析技术 我们对制备的 P3HT 分子刷进行了表征 结果表明 P3HT分子刷层的厚度在 5 nm 左右 占 P3HT GN 分子刷总重量的 20 1 假设接枝 P3HT 采取完全伸展构象 则估计的接枝密度为每 6 53 nm2含有 1个 P3HT 分子链 接枝 P3HT 链间距离为 2 556nm 制备的分子刷使光激发 P3HT 产生的荧光几乎被全部淬灭 量子效率仅为 0 042 显示了突出的电荷转移效率 可望在光子收集 传感器等许多功能性材料领域获得应用 十三石墨烯材料在本体异质结太阳电池中 的研究进展 摘要 总结了近年来功能化石墨烯在本体异质结太阳电池 BHJ SCs 中的研究进展 针对石墨烯在不同结构层中的应用分别进行了阐述 主要介绍石墨烯作为透明阳极导电层材料和活性层材料在 BHJ SCs 中的应用 结束语 本文结合目前本体异质结太阳电池的研究 综述了石墨烯在以下三方面的应用进展 1 通过 Hummer 法和 CVD 法 都可以得到单层或多层石墨烯材料 都可以作为透明阳极导电材料 Hummer 法制得的石墨烯操作简单 但氧化过程对其共轭结构造成较大破坏 石墨烯层厚较难控制 而 CVD 法可制得少层连续结构的石墨烯 由于其内电阻小 能更好的发挥石墨烯优良的电学性能 但该方法实验条件较为苛刻 产量较低 2 作为活性层材料 石墨烯作为受体材料的器件性能仍然较低 但由于功能化石墨烯在普通溶剂中具有较好的分散性 且通过功能化等方法得到的石墨烯的能带