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[电池材料] 几种不同种类石墨烯介绍

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发表于 2016-9-7 08:30:04 | 显示全部楼层 |阅读模式
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 一  、氧化石墨烯   
       通常而言,氧化石墨烯(Graphene oxide, GO)来源于氧化石墨(Graphiteoxide)的剥离,例如常见的溶液相超声波剥离。1859年,Brodie第一次报道了氧化石墨制备的工作,采用发烟硝酸中加入KClO3来进行氧化获得了结构式为C2.19H0.8O1.0的分子式。然而这实际上不是单一分子的组成而是混合物的组分。近40年后Staudenmaier改进了Brodie的方法,采用浓硫酸和发烟硝酸的混合酸来氧化石墨,更快地完成了氧化反应获得了组分相近的氧化石墨(C/O接近2)。

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  1958年Hummers和Offeman改进了氧化石墨的制备方法,以KMnO4为氧化剂在浓硫酸条件下氧化石墨,将反应时间再次缩短。后续虽然有报道新的氧化石墨制备方法,例如引入磷酸/浓硫酸混合酸改进Hummers方法来氧化,可以快速获得氧化程度高的氧化石墨,水溶性更好。在氧化石墨制备方面主要就是上述三种思路。
  对于氧化石墨烯的结构,目前比较认可的观点是,石墨烯基底上有未被氧化的共轭芳环结构,以及氧化产生的含氧官能团包括环氧基,羟基,以及羧基结构,如图中左为GO结构,右为还原石墨烯RGO的结构示意图。

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GO与RGO的分子结构示意图

  二、 还原氧化石墨烯
  还原氧化石墨烯(Reduced graphene oxide/rGO)通常是预先经过氧化处理的石墨氧化物,采用化学还原、高温石墨化、电化学还原、溶剂热还原等方法进行脱氧处理,并修复其中的共轭结构。然而该过程很难完全脱氧修复出无缺陷的石墨烯,边界或者是面上往往会有含氧官能团残留。一种普遍认为的结构式见上图1-3。

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       三、  石墨烷
  石墨烷(graphane)来自于石墨烯的加氢,每个碳原子旁引入一个氢原子;石墨烷类似石墨烯,是一种二维的烷烃,其名称也是根据有机化学的命名法则,意为饱和的碳氢化合物。相比与类金属的石墨烯,石墨烷本身是绝缘体,所以控制石墨烯上的加氢状态可以表现出半导体特征,因此在电子器件和晶体管领域有望获得巨大应用。此外,相比于化学性质较为稳定的石墨烯,含有C-H结构的石墨烷更受化学家们亲睐,提供了更多化学修饰改性的可能。当石墨烯上的氢化不完全时,称为氢化石墨烯(hydrogenated graphene,还原氧化石墨烯进行氢化也包括内)。
  氢化石墨烯能表现出一定的铁磁性和可根据氢化程度调控的能带结构。此外,由于可以发生可逆的氢化和脱氢,因而该材料也被认为是一种有前景的储氢材料。

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石墨烷与氟化石墨烯具有相同的骨架结构,sp3杂化的碳


  四、  氟化石墨烯
  氟化石墨烯(Fluorinated Graphene)是在单原子层的石墨烯上,每一个碳原子旁引入一个氟,构成sp3杂化形成σ键,同时碳与相邻的碳原子间也以sp3杂化构成σ键。该材料2010年由来自英国曼彻斯特大学的Rahul Raveendran-Nair及其合作者制备成功。
  和石墨烯一样,氟化石墨烯有优良的机械强度,抗拉伸强度达到100Nm-1,与石墨烯不同的是,这种材料具有宽能隙3eV,因此对可见光透明,并且该材料方阻>1012 Ω,是单原子层厚度的绝缘体。此外,该材料在空气中,400℃的高温下也能稳定存在,类似特氟龙,可以称之为“二维特氟龙”。


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  值得一提的是,通过石墨直接氟化制得的氟化石墨已经商业化,用于润滑材料和电池的正极材料。因此,氟化石墨烯在未来有望展现优良的性能,并快速进入应用领域。此外,磺化石墨烯、氮掺杂石墨烯也是功能化石墨烯研究中报道较多的材料。




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