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石墨烯小知识|氧化石墨GO的分散性问题
热度 4 wuyuefeng 2016-9-23 10:20
《石墨烯学堂》之第八讲 相比于石墨烯, GO 在溶液中具有更好的分散性,所以为后续研究和应用提供了更多的加工空间,这也是很多人在购买氧化石墨的时候优先考虑的问题。 然而目前市面上购买的氧化石墨良莠不齐,一些商家虽然也是采用 Hummers 法或者是改进的方法制备的 GO ,但由于处理工艺不完善导致购买的氧化石墨无法很好分散;又或者是有些同学自己合成缺少经验,结果发现 GO 分散性能很差,如果面对这种情况该如何补救呢? 在回答处理措施前,我们先一起了解下氧化石墨的成分和结构。石墨粉经氧化后成为氧化石墨,其组成单元为单层的氧化石墨烯。并且片层上有丰富的含氧官能团,比如 -COOH 、 -OH 以及环氧等,这些官能团具有很强的极性,这也是氧化石墨烯易溶于水的原因。但另一方面,片层间依然有共轭结构存在,所以 GO 同时表现出亲水性和疏水性。 并且, GO 片层间也有可能存在氢键而相互吸引。综合来看,从“相似相容”的角度而言, GO 是可以溶解在水中和极性的溶剂中的。 实际情况是,很多时候我们将氧化石墨粉体加入到水中,然后给予适度的水浴超声,结果发现片层并没有很快的剥离,静置一会就会有棕褐色的沉降物。这是由 GO 干燥处理不当所致,水溶性好的 GO 通常在层间保留有一定量的结合水,正是这些层间水的存在增大了 GO 片层的层间距,超声中便于外界水插层,从而达到快速剥离的目的。如果溶液中有电解质存在,则需要先将氧化石墨烯超声剥离后再加电解质,这样子最终的剥离效果相对会好些,否则很有可能无法超声剥离出来。 另外一种情况就是,有同学反映直接将 GO 粉末加入到乙醇等溶剂中超声数个小时,结果依然无法剥离出氧化石墨烯溶液。这是因为相比于水,乙醇更难渗透插层到 GO 片层间。一种比较有效的解决方法便是先将 GO 粉体在少量水里超声溶胀,进行初步剥离,然后再往 GO 浆液中加入需要的乙醇等溶剂,该方案可以极大地提高 GO 的剥离效果。 除此之外,也有部分同学超声条件控制不到位的问题,尤其是采用水浴超声条件下,水位的高低对功率影响很大,水位太高会降低超声效果;而在塑料类容器如离心管中超声也会削弱效果。 为避免上述问题,当然最好还是挑选品质可靠的商家和产品,例如昂星的 GO 不仅要求保证产品新鲜,并且每瓶产品出货前都经过严格的分散性测试,确保无误下才会发货,测试过程的样品溶液也会随货物一起寄往用户手中。此外,昂星也有浆料和溶液之类的样品,剥离效果更佳。 本词条由昂星科技团队编辑, 想要知道更多石墨烯知识,扫一扫下方二维码,加入我们。
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石墨烯小知识|成员介绍
热度 5 wuyuefeng 2016-9-7 09:31
《石墨烯学堂》第一讲 通常而言,氧化石墨烯 (Grapheneoxide, 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KClO 3 来进行氧化获得了结构式为C 2.19 H 0.8 O 1.0 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)。 1958 年 Hummers 和 Offeman 改进了氧化石墨的制备方法,以 KMnO 4 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。 GO 与 RGO 的分子结构示意图 一 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图 1-3 。 图片来自互联网 二 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。 石墨烷与氟化石墨烯具有相同的骨架结构, sp3 杂化的碳 三 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 sp 3 杂化形成 σ 键,同时碳与相邻的碳原子间也以 sp 3 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 10 12 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 ” 。 图片来自互联网 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。 要想知道更多石墨烯知识,扫一扫下方二维码,加入我们。
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