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复旦大学在制备高质量、超大片石墨烯及石墨烯基聚合物复合物方面取得系列进展

来源:石墨邦 | 作者:转载 | 分类:学术 | 时间:2017-06-09 | 浏览:6779
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随着学术界和产业界对石墨烯及相关材料的不断研究,高质量、差异化、功能化石墨烯成为目前的研究热点。大量研究证实,以鳞片石墨为原料,通过液相剥离-功能化的方法,可以制备出大量满足工业需求的石墨烯材料。

随着学术界和产业界对石墨烯及相关材料的不断研究,高质量、差异化、功能化石墨烯成为目前的研究热点。大量研究证实,以鳞片石墨为原料,通过液相剥离-功能化的方法,可以制备出大量满足工业需求的石墨烯材料。

然而,这样自上而下的方法需要在削弱石墨片层之间作用力的同时,保护石墨片层本身不受化学或物理作用的影响,这就要求对剥离机理和制备过程进行详细的研究和调控。

卢红斌课题组报道了一系列制备高质量、差异化以及功能化石墨烯的方法。通过对原料石墨进行化学插层,在室温条件下进行液相膨胀得到化学膨胀石墨。

多种微观表征证实,化学膨胀发生在石墨的每一层插层空间内,相对于原料石墨,化学膨胀石墨具有约1000倍的厚度方向膨胀。这样的结构易在良溶剂中剥离,从而得到含高质量(C/O > 28,膜电导率1.17×105 S/m)、大尺寸(5~10 μm)的石墨烯溶液。论文第一作者为林珊博士和董雷博士,通讯作者为卢红斌教授,论文发表于Chemistry of Materials,并被选为ACS Editors’s Choice进行亮点报道,论文获期刊当月和当年“Most Read Articles”第一名(Li, S.; Dong, L.; Zhang, J. J. and Lu, H. B. Chem. Mater., 2016, 28, 2138-2146.)。

另外,由于化学膨胀充分释放了石墨的层间空间,极大的促进氧化剂在石墨层间扩散。通过当量的氧化反应和微弱的机械剥离,在不需要进行尺寸筛分的情况下,可以制备出平均片层尺寸大于80 μm的氧化石墨烯溶液。

此外,近年来,石墨烯基聚合物复合物的研究受到广泛关注。其关键就是要解决石墨烯在聚合物基体中的分散以及界面相互作用问题。以往的研究往往集中在预先制备石墨烯及其衍生物,进而与聚合物复合。

这一制备流程不仅复杂难以大规模应用,同时又很难避免石墨烯含量增加带来的聚集问题。为此寻求一种更有效、简单、低成本的高性能石墨烯基聚合物复合物的制备方法成了现阶段的一个难题。

在这里我们首次提出了利用具有超高比表面积的化学膨胀石墨(CEG)进行层间聚合的思路来解决上述难题。通过单体甲基丙烯酸甲酯(MMA)在CEG层间聚合使得CEG自发地剥离成单层和少层的石墨烯最终良好地分散在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中。

结果表明,CEG较弱的层间相互作用和单体对CEG的润湿是保证MMA层间聚合与后续石墨烯的自发剥离、分散以及最终复合物性能优化的一个关键前提。轻度氧化的CEG(LCEG)在一定程度上可以改善单体对其的亲和性,但是不足以保证LCEG的完全剥离。进一步对LCEG表面修饰后,MMA层间聚合充分进行。最终复合物体现了优异的热力学以及导电性能。

弹性模量相较于纯PMMA增加了3倍,同时电导率也超过了1700 S/m。我们预期此种新型的层间聚合反应方法能够加速各种石墨烯基聚合物复合物的工业化应用进程。该论文发表于Chemistry of Materials,第一作者为2014级直博生王鹏,通讯作者为卢红斌教授。

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