石墨烯的功能化.pptVIP

* * * * * * * 石墨烯的功能化 主要内容 1 石墨烯的特性简介 2 石墨烯的共价键功能化 3 石墨烯的非共价键功能化 4 石墨烯功能化的应用 一、石墨烯的特性 以sp2杂化轨道组成六角形呈蜂巢晶格的二维材料 是世界上最坚硬的纳米材料 是构成其他碳族材料的基本单元 能够在常温下观察到量子霍尔效应 拥有超大的比表面积和超强的传热导电性能 石墨烯研究难题 （1）化学稳定性较高、不亲水 （2）与其他介质的相互作用弱、难溶于有机溶剂 （3）层与层之间有较强的范德华力，容易产生聚集 二、石墨烯的共价键功能化 石墨烯的共价键功能化是目前研究最为广泛的功能化方法。虽然石墨烯的主体是稳定的苯六元环结构，但其边缘及缺陷部位有较高的活性，经氧化后的石墨烯表面含有大量的活性环氧基团，如羟基、羧基等，因此可以利用多种化学反应对其进行共价键改性。从所用的改性剂可以将共价键功能化分为有机小分子共价键功能化和聚合物共价键功能化 1、小分子共价键功能化 异氰酸酯 双亲氧化石墨烯 磺酸基功能化 磺化改性 可以在DMF等多种极性非质子溶剂中均匀稳定分散，该方法对反应条件要求不高，操作简单且反应效率高，但是异氰酸酯为剧毒物质图1 异氰酸酯与石墨烯反应机理 以六甲基二异氰酸酯为偶联剂，然后与乳化剂T-80反应得到的双亲氧化石墨烯在水和氯仿及己烷等溶剂中稳定分散 功能化的石墨烯不仅导电性高，而且水溶性、分散稳定性和表面活性都大大提高 磺化石墨烯对萘和1-萘酚的吸附能力达到2.3-2.4retool g.-1,这是已报道纳米材料中的最高值，对环境污染处理意义重大 图1 异氰酸酯与石墨烯反应机理 2、聚合物共价键功能化 分散法：通过键接在石墨烯表面的引发单体聚合，在石墨烯或者氧化石墨烯表面或者边缘部位发生接枝聚合。氧化石墨烯的聚合物共价键功能化方法中运用最多的是原子转移自由基聚合(ATRP) 收敛法：通过聚合物上反应官能团与石墨烯或氧化石墨烯上的官能团反应实现的，在石墨烯上引入聚合物引发基团然后原位生长聚合物，这种方法主要依赖于氧化石墨烯表面的特定引发剂 （1）分散法 BMPB PS-PAM功能化 植物衍生物 氨基功能化 该方法得到的氧化石墨烯在N-N-二甲基甲酰胺、甲苯、氯仿和二氯甲烷中有稳定的分散性 进一步改善了石墨烯的溶解性，得到了具有两亲性的石墨烯。且此功能化的石墨烯可以作为添加剂，在多种聚合物中均匀分散 不仅能够在DMF中均匀分散，导电性和导热性都有显著提高。同时使得植物资源可持续利用 使其热稳定性明显提高，但在DMF中的稳定分散性变差了。 图3 在 APRT 引发下苯乙烯对氧化石墨烯改性反应 （2）收敛法 用 4-二甲基氨基吡啶和 N-N-二环己基碳二亚胺作为催化体系，通过酯化反应将 PVA共价接枝到氧化石墨烯表面。得到的功能化氧化石墨烯水溶性有很大的提高 利用含有芳香氨基的聚合物三苯胺聚甲酰胺( TPAPAM) 中的氨基与氧化石墨烯的羧基进行共价连接,得到了三本胺聚甲酰胺功能化石墨烯，可用于记忆器件的制备,得到的记忆器件表现出典型的双稳态开关特性，以及非失忆性FLASH 记忆效应。这是基于共轭聚合物修饰石墨烯器件的首次报道 图 4 PVA 与 GO 酯化反应原理 3、共价键功能化存在的问题及其发展 石墨烯的共价键功能大大改善了其加工性能，赋予石墨烯一些新的优异性能。然而，石墨烯的共价键功能化也存在较为明显的缺点。在对石墨烯进行共价键修饰的同时会破坏石墨烯的本征结构，改变其本身特有的物理化学性质。充分利用收敛法在石墨烯边缘及缺陷部位引入具有特定功能的高分子、小分子化合物或者共聚物将会是石墨烯共价键功能化今后的主要研究趋势。 三、石墨烯的非共价键功能化 石墨烯是疏水的，不溶于极性溶剂。为使其溶于极性溶剂，必须对其进行非共价键功能化。石墨烯的非共价功能化主要指通过 π-π 相互作用，离子键及氢键等超分子作用对石墨烯进行功能化，从而提高石墨烯的分散性，并赋予其一些新的优异性能 1、π-π作用功能化 （1）采用高分子聚苯乙烯磺酸钠( PSS) 修饰石墨烯氧化物,利用 PSS 与石墨烯之间较强的非共价键作用阻止石墨烯片的团聚，使该复合物在水中具有较好的溶解性 （3）利用 1-芘丁酸钠盐通过π-π作用对还原氧化石墨烯进行了非共价键功能化，制备了浓度可达 0.2 mg/ml 的石墨烯水溶液，解决了氧化石墨烯在还原过程中易于聚集沉淀的问题 （2）通过星型聚丙烯腈中的三亚苯结构与石墨烯间的π-π相互作用，使星型聚丙烯腈吸附到石墨烯表面，从而得到功能化的石墨烯材料，这种功能化的石墨烯材料能很好的分散在DMF中，并且比较稳定 2、离子键功能化 （1）将带有不同取代基的季铵盐与石墨烯混