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化学还原法制备石墨烯的研究进展

化学还原法制备石墨烯的研究进展近年来,研究人员利用多种方法开展了石墨烯的制备工作,主要包括化学剥离法、金属表面外延法、SiC表面石墨化法和化学还原法等[1]。

目前应用最广泛的合成方法是化学还原法。

石墨烯在氧化的过程中会引入一些化学基团,如羧基(-COOH)、羟基(-OH)、羰基(-C = O)和环氧基(-C-O-C)等,这些基团的生成改变了C-C之间的结合方式,导致氧化石墨烯的导电性急剧下降,并且使具有的各种优异性能也随之消失。

因此,对氧化石墨烯进行还原具有非常重要的意义,主要是先将氧化石墨烯分散(借助高速离心、超声等)到水或有机溶剂中形成稳定均相的溶胶,再按照一定比例用还原剂还原,得到单层或者多层石墨烯。

还原得到的石墨烯有望在电子晶体管、化学传感器、生物基因测序以及复合材料等众多领域广泛应用。

目前,制备氧化石墨烯的技术已经相当成熟,其层间距(0.7~1.2 nm)较原始石墨烯层间距大,更有利于将其他物质分子插入。

研究表明氧化石墨烯表面和边缘有大量的羟基、羧基等官能团,很容易与极性物质发生反应,得到改性氧化石墨烯。

氧化石墨烯的有机改性可使其表面由亲水性变为亲油性,表面能降低,从而提高与聚合物单体或聚合物之间的相容性,增强氧化石墨烯与聚合物之间的粘接性。

如果使用适当的剥离技术(如超声波剥离法、静电斥力剥离法、热解膨胀剥离法、机械剥离法、低温剥离法等),那么氧化石墨烯就能很容易的在水溶液或有机溶剂中分散成均匀的单层氧化石墨烯溶液,使利用其反应得到石墨烯成为可能。

氧化还原法最大的缺点是制备的石墨烯有一定的缺陷,因为经过强氧化剂氧化得到的氧化石墨烯,并不一定能被完全还原,可能会损失一部分性能,如透光性、导热性,尤其是导电性,所以有些还原剂还原后得到的石墨烯在一定程度上存在不完全性,即与严格意义上的石墨烯存在差别。

但氧化还原方法价格低廉,可以制备出大量的石墨烯,所以成为目前最常用制备石墨烯的方法。

不同的还原剂制备石墨烯优缺点对比表
还原剂优点缺点
水合肼1化学基团去除率最高都可达到99%以
上,甚至有的基团消失了;2还原后得到
的石墨烯比氧化石墨烯在热稳定性上表
现得更为优异;3对极性较大的有机染料
具有较强的吸附能力;4增加水合肼的用
量能够得到还原度较高的石墨烯;
1氧化石墨烯的还原状态结
构并不可能被完全的还原到
原有的石墨烯状态;
乙二胺1结构趋于平面化,在还原过程中未发生
明显团聚现象;2其分散稳定性明显优于
水合肼还原,在对氧化石墨烯进行化学
还原的同时,可能还发生了表面化学修
饰,这是其它还原剂还原所不具有的;
1乙二胺对氧化石墨烯的还
原效果略逊于水合肼;
抗坏血酸1较高还原度;2在温和的条件下将氧化
石墨烯水溶液有效转化成为定的单分散
石墨烯悬浮液;3室温下还原氧化石墨
烯,易于实现对氧化石墨烯还原程度的
控制;
1表面仍然残留有极少量的
含氧基团;
柠檬酸钠1反应条件温和,原料廉价易得,易于放大;2含氧官能团能得到有效脱除,并具有良好的电子传输性能;3简单的水洗离心就可实现分离提纯;4还原过程中不污染环境;
L-半胱氨酸1生成的石墨烯已经脱除了主要的含氧基团,且还原产物部分具有石墨烯结构以及优良的热稳定性;2 L- 半胱氨酸还原后得到的石墨烯在乙醇中表现出较好的分散性和较高的导电性;
氨水及氨水蒸汽1氧含量显著降低,导电性能提高;1与水合肼相比,氨水毒性小,既能够还原氧化石墨烯,又能够稳定还原后的石墨烯;
氢碘酸1使薄膜的厚度显著减小、结构更加致密,石墨烯片层之间的结合力也明显增强;2力学强度、导电性和柔韧性等方面都有很大提高;
硼氢化钠电容性较高;1部分层片重新聚集,比表面积低;。

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