宁波材料所在高品质石墨烯制备和改性方面取得系列进展

2011-9-05 16:34 来源: 中国科学院
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数码照片显示小分子稳定剂对两种石墨烯稳定性的作用以及石墨烯片层厚度的表征

  石墨烯(graphene)具有优异的导电、导热、机械性能。相比于碳纳米管等纳米碳材料,石墨烯的比表面积更大,且可以通过热还原的方法大量地制备。根据理论计算,石墨烯的比表面积可以高达2630m2/g,而通过氧化石墨膨胀制备石墨烯的比表面积可以达到500-1000m2/g。石墨烯的制备、改性以及聚合物纳米复合等领域于近年来备受关注。

  中科院宁波材料技术与工程研究所高分子事业部郑文革团队在加盟中科院宁波材料所后,较早地开展了石墨烯的制备研究,成功开发了低温、低压膨胀制备石墨烯的制备技术(J. Mater. Chem. 2011, 21, 5392-5397.)。该技术解决了石墨烯需要高温膨胀制备的局限性,目前,该技术已申请了中国专利(申请号:201010273989.5)。在此基础上,该团队于最近开发了一种制备石墨烯的新技术,该技术无需低压氛围,在常压、低温的情况下就可以使氧化石墨实现膨胀,从而制备比表面积高达700-900m2/g石墨烯纳米材料。该技术为石墨烯的商业化生产提供前景,目前,研究人员正着手申请中国专利。

  采用低温膨胀制备的石墨烯表面具有大量的含氧基团,这使石墨烯在具有优良导电性能的同时具有很好的溶剂溶解度和聚合物亲和性。该团队的研究发现(《无机材料学报》, 2011, 26, 707-710.),低温膨胀制备的石墨烯可以溶解在水中,形成稳定的黑色溶液,均匀分散的石墨烯的片层厚度为1-1.7nm。进一步的研究表明,该石墨烯材料具有优异的导电性能,导电率可高达1000S/m,而氧化石墨的电导率仅为10-5S/m。

  石墨烯的长宽尺度在微米级,而厚度在1nm以下,因此,石墨烯在溶液中具有强烈的团聚趋势。为了防止石墨烯片层的聚集,在最近的研究中,研究人员采用一种特殊的非共价键改性技术,即通过小分子稳定剂(Thionine)与石墨烯片层形成π-π相互作用,使石墨烯在水相中实现了稳定的单层分散,同时,还保持了石墨烯良好的导电性能(23.6 S/m),相关研究成果发表在Mater. Res. Bull. 2011, 46, 583-587.