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多孔石墨烯的制備及應用

石墨烯是由單層sp2雜化碳原子呈六邊形排列的而組成的一種二維碳材料,具有較大的理論比表面積、較高的本征載流子遷移率、較高的導熱系數、室溫下超高的電導率等優點。由于其獨特的結構和性質,石墨烯已逐漸成為最具吸引力的應用材料之一。

石墨烯同時也存在着不足之處,如在數字電子領域,由于石墨烯的電子之間缺乏帶隙,一旦數據傳送之後便很難停止。最佳的解決辦法就是就是通過在石墨烯表面打孔形成帶隙或者整合二維石墨烯構建具有特定三維結構的石墨烯,形成多孔結構。

多孔石墨烯的制備方法

模闆法

模闆法根據模闆的組成及特性不同又可分為硬模闆法和軟模闆法兩種。

硬模闆法

通過硬模闆法制備多孔石墨烯材料主要涉及以下四個方面:(1)制備硬模闆;(2)對模闆表面進行功能化/改性,以獲得适宜的表面性能;(3)通過各種方法将石墨烯或其衍生物,如氧化石墨烯塗覆在模闆上;(4)選擇性去除模闆。

硬模闆法也存在許多缺點,如産率相對不高,無法實現高産,采用多步合成工藝時限制較大,模闆移除時結構堅固性不足等。

軟模闆法

軟模闆法是碳前驅體與軟模闆之間相互作用進行的自組裝反應,經過高溫碳化、聚合得到多孔石墨烯,其孔結構主要取決于合成條件,如反應物比例、溶劑類型和反應溫度等,該方法可直接用于合成介孔或大孔石墨烯材料。

相比于硬模闆,軟模闆本質上是在分子層面的合成,利用化學鍵或親/疏水作用力相互作用的同時構造多孔結構,在軟模闆法制備多孔石墨烯材料的過程中,起重要作用的是模闆與表面活性劑之間的化學反應。

無模闆法

無模闆法包括刻蝕法、溶劑熱法和化學氣相沉積法。

刻蝕法

刻蝕法是利用刻蝕劑與石墨烯之間發生化學反應,使石墨烯表面的碳原子被反應刻蝕以後留下孔結構的一種方法。該方法對于材料的刻蝕具有明顯的選擇性,即刻蝕結束立刻停止,不會損壞其餘層面的材料。

溶劑熱法

溶劑熱法是在特定的高壓反應釜中,利用水或有機溶劑作為反應體系,将其加熱至臨界溫度,在高壓反應體系中進行材料合成的一種方法,該方法極大地減少了環境污染,并且制備得到的多孔石墨烯材料具有孔徑可控的優勢。

學氣相沉積法

化學氣相沉積法制備多孔石墨烯材料的主要過程是将甲烷、乙炔等含碳氣體,再使氣态碳源沉積到固态體基體表面,制備得到石墨烯,然後在保護氣體中逐漸升溫,最終獲得多孔石墨烯材料的一種方法。該方法操作簡單、可大規模生産,且制得的多孔石墨烯材料結構完整,具有優良的導電性能。

多孔石墨烯及其複合材料的應用

電極材料

以多孔石墨烯或複合材料為電極材料,其高度連通的網絡結構大大促進了離子的快速輸運,從而使材料呈現出較高容量和功率特性。

環境吸附材料

多孔石墨烯具有豐富的孔道結構,由于制備方法的差異,表面含有較多的缺陷,能夠較容易引入不同功能團。多孔石墨烯及其複合材料在油/水分離、金屬離子吸附和染料分子去除等方面均有諸多應用。

分離領域

通過模型建立和計算機模拟發現,多孔石墨烯對氫氣(H2)、氮氣(N2)和硫化氫(H2S)等氣體分子具有較高的滲透性和選擇性,能夠有效分離H2/CH4、CO2/N2和H2S/CH4等混合氣體。

參考資料:

吳蓬勃、王成君等.多孔石墨烯制備及其納米複合材料的研究進展

曾旸等.多孔石墨烯材料的制備研究進展

史鵬、侯朝霞等.多孔石墨烯及其複合材料的研究進展

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