第一作者：AndrewT.Smith，Anna MarieLaChance
通訊作者：孫陸逸
通訊單位：美國(guó)康涅狄格大學(xué)
核心內(nèi)容：
1. 介紹了合成石墨烯衍生物的常用方法，討論了合成對(duì)材料關(guān)鍵性能的影響。
2. 介紹了具有獨(dú)特性能的石墨烯納米復(fù)合材料示例。
3. 介紹了石墨烯基納米復(fù)合材料在分離應(yīng)用，刺激響應(yīng)材料，防腐涂層和能量存儲(chǔ)方面的性能與應(yīng)用。
石墨烯材料研究背景
石墨烯是一種具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的、由sp2雜化碳原子組成的二維薄片。研究表明，它具有許多理想的性能，如高機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等等，基于這些原因，將石墨烯引入聚合物中設(shè)計(jì)基于石墨烯的聚合物納米復(fù)合材料，已經(jīng)成為無(wú)數(shù)研究者們共同的奮斗目標(biāo)。
由于石墨烯基納米復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和阻隔性能，在過(guò)去的十年中一直是科研人員研究的熱點(diǎn)。得益于其簡(jiǎn)單的自上而下的制備方法，氧化石墨烯(GO)和還原氧化石墨烯(rGO)為納米復(fù)合材料的氣阻、膜分離和刺激響應(yīng)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能性。
綜述簡(jiǎn)介
有鑒于此，美國(guó)康涅狄格大學(xué)孫陸逸教授等人對(duì)石墨烯衍生物的合成、性能和應(yīng)用進(jìn)行了回顧。
圖1. 石墨烯及其衍生物。
要點(diǎn)1：石墨烯合成制備技術(shù)
單層石墨烯是一種理想的結(jié)構(gòu)，由單原子厚度的、完全sp2雜化的碳原子組成。然而，由于石墨烯片的高度堆積性，也會(huì)產(chǎn)生多層石墨烯結(jié)構(gòu)。因此利用自下而上的方法合成這些材料對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)是十分困難的。然而采用自上而下的方法，卻更容易生成氧化石墨烯(GO)，其中sp2和sp3雜化的碳原子都含有豐富的含氧基團(tuán)，還原后(rGO)可以消除大部分含氧基團(tuán)和sp3雜化的碳原子，生成性能大大改善的石墨烯衍生材料。GO和rGO都可以進(jìn)一步通過(guò)自上而下的方法處理，生成GOQD和rGQD量子點(diǎn)。
圖2. 氧化石墨烯合成方法原理圖。
要點(diǎn)2：石墨烯材料物理性能
石墨烯衍生物具有優(yōu)異的機(jī)械性能、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。具體表現(xiàn)為原始單層石墨烯的楊氏模量為42Nm?1,1.0TPa，rGO的楊氏模量可達(dá)到250±150TPa；石墨烯的電導(dǎo)率為6500Sm?1，rGO的電導(dǎo)率提升了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，最高可達(dá)到2.98×104Sm?1；石墨烯已經(jīng)被證明是已知材料中熱導(dǎo)率最高的材料之一,導(dǎo)熱率為3000 - 5000 W??m?1K?1，rGO納米復(fù)合材料的導(dǎo)熱性又得到了進(jìn)一步的提高，導(dǎo)熱率增長(zhǎng)了3 - 61Wm?1K?1。
圖3. 石墨烯復(fù)合增強(qiáng)材料。
要點(diǎn)3：石墨烯材料應(yīng)用
由于氧化石墨烯的負(fù)電荷表面以及具有較大的長(zhǎng)徑比納米片結(jié)構(gòu)，使得大多數(shù)氣體的滲透性較差，因此可用于天然氣運(yùn)輸；由于其具有高的水滲透性，以及可以在水中穩(wěn)定存在等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為是一種很有前景的水處理材料；其在納米復(fù)合材料中光熱轉(zhuǎn)換效率較高，因此它已被證明是一種很好的熱/光響應(yīng)性材料；除此之外，該類材料還可以對(duì)其他不同種類的刺激做出相應(yīng)，還可以用于防腐涂料和能量?jī)?chǔ)存材料等等。
圖4. 石墨烯基薄膜電極材料。
小結(jié)
盡管目前該類材料的研究已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，但要將GO和rGO完全應(yīng)用到工業(yè)中，仍有許多問(wèn)題需要解決。例如，雖然目前的合成方法對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)來(lái)說(shuō)是令人欣慰的，但是對(duì)于粒子的控制和細(xì)化還需要進(jìn)一步探索；雖然材料的性能可以通過(guò)各種方法得以改善，但由于工業(yè)產(chǎn)品需要高度的可重復(fù)性，因此均一的性能將是獲得實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。此外，本文還重點(diǎn)介紹了幾種獨(dú)特的技術(shù)，展示了GO在許多應(yīng)用程序中的應(yīng)用潛力。未來(lái)，在保留氧化石墨烯優(yōu)異性能的前提下，通過(guò)簡(jiǎn)單的工業(yè)手段制備納米復(fù)合材料還需要進(jìn)一步的探索。
參考文獻(xiàn)
Andrew T.Smithab, AnnaMarie LaChanceab, Songshan Zeng, Bin Liu, Luyi Sun. Synthesis, properties, andapplications of graphene oxide/reduced graphene oxide and their nanocomposites.Nano Materials Science. 2019
DOI:10.1016/j.nanoms.2019.02.004
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589965119300042
