Fortschritte bei der Herstellung und Anwendung von funktionellem Graphen

Graphen ist eine wabenförmige Monoschicht-Kohlenstoffstruktur, die aus Kohlenstoffatomen besteht, die planare kovalente Bindungen mit SP2-Hybridisierung bilden. Es ist auch eine grundlegende Struktureinheit vieler Nanokohlenstoffstrukturen wie Fullerene und Kohlenstoffnanoröhren. Da es von Geim et al. Im Jahr 2004 wurde Graphen in den letzten Jahren zu einem Sternmaterial mit extrem hoher mechanischer Festigkeit, Trägermobilität und Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Lichtdurchlässigkeit und chemischer Stabilität. Hat umfangreiche Aufmerksamkeit von akademischen und industriellen Kreisen erhalten.

Im Gegensatz zu diesen beispiellosen Eigenschaften erfordern Graphenmaterialien, die tatsächlich in Produktion und Lebensdauer verwendet werden, eine Vielzahl von Eigenschaften. Zum Beispiel ist Graphen ein Material mit einer theoretischen Oberfläche von bis zu 2630 M2 / g und hat ein großes Anwendungspotential in der Oberflächenchemie, Adsorption und anderen Bereichen. Die Oberfläche des Eigengraphens ist jedoch eine flache große π-Bindungsstruktur, die ein beträchtliches Maß an chemischer Trägheit und Hydrophobizität aufweist, und es ist leicht zu stapeln und zu aggregieren, was der Leistung von Graphen nicht förderlich ist.

Um die oben genannten Probleme zu lösen und die Anforderungen der Anwendung zu erfüllen, fügten die Wissenschaftler andere Komponenten und Strukturen auf der Basis von Graphen hinzu, um eine neue Klasse neuer Materialien zu bilden, die Graphen funktionieren. Sie behalten die meisten grundlegenden Eigenschaften von Graphen bei, während sie unterschiedliche Eigenschaften haben. Die neuen Eigenschaften des Eigengraphens. Aufgrund der Einführung verschiedener Modifizierungsmethoden kann funktionelles Graphen schrittweise angemessen auf die tatsächlichen Bedürfnisse ausgelegt werden, und sein Anwendungspotential wurde schrittweise entwickelt. In den letzten Jahren wurde seine Forschung schnell entwickelt!

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die neuesten Fortschritte bei funktionellem Graphen. Zunächst wird gemäß der chemischen Struktur das Herstellungsverfahren der kovalenten Bindung und der nichtkovalenten Bindung beschrieben. Zweitens werden je nach Anwendungsbereich die neuesten Forschungsergebnisse zu funktionellem Graphen in den letzten Jahren zusammengefasst.

1, Herstellungsverfahren

Funktionelles Graphen wird von Graphen abgeleitet. In den letzten zehn Jahren wurde das Herstellungsverfahren für Graphen kontinuierlich weiterentwickelt, wobei allmählich Graphen-Dünnfilme gebildet wurden, die durch chemische Gasphasenabscheidung dargestellt wurden, und Graphenpulver, die durch Redox dargestellt wurden, wie in Abbildung 1, 2 dargestellt. Ersteres ist durch ein höheres Graphen gekennzeichnet Kristallqualität, weniger Gehalt an funktionellen Gruppen und elektronische Eigenschaften mit intrinsischen Halbleitern. Letzteres zeichnet sich durch eine Graphenoberfläche aus, die bestimmte sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen und eine lockere Struktur enthält. Sie fördert die Leistung der größeren spezifischen Oberfläche und kann in Massenproduktion hergestellt werden. Dementsprechend basiert die Herstellung von funktionalisiertem Graphen auch auf Eigengraphen und Graphenoxid als Rohstoffen.

1.1 Kovalente Funktionalität von Graphen

Die Eigengraphenoberfläche besteht vollständig aus SP2-Kohlenstoffatomen. Dies ist eine sehr stabile Struktur, die Graphen unter normalen Umständen eine starke chemische Trägheit verleiht. Gleichzeitig erleichtert diese Struktur das Stapeln und Aggregieren zwischen Graphen, und die Natur der Hydrophobie macht es auch schwierig, Graphen in Lösungsmitteln wie Wasser zu dispergieren, was die Funktionsfähigkeit von Graphen bei Anwendungen verringert.

Die Kovalenz von Graphen soll diese stabile Struktur zerstören, so dass die Oberflächenaktivität von Graphen leicht in Lösungsmitteln dispergiert werden kann, und es ist auch förderlich für seine Rolle bei Anwendungen wie der Adsorption und der Zerstörung planarer π-Bindungsstrukturen. Die Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit von kovalent funktionellem Graphen sind im Allgemeinen signifikant niedriger als die des intrinsischen Graphens.

1.1.1 Funktionelle Verwendung kleiner organischer Moleküle

Obwohl das intrinsische Graphen chemisch inert ist, kann seine π-Bindung unter starken chemischen Bedingungen auch bestimmte Arten chemischer Veränderungen erfahren. Ähnlich wie bei Kohlenstoffnanopartikeln Guandeng kann die SP2-Kohlenstoffstruktur von Graphen direkt mit radikalischen Reagenzien wie Diazoniumsalzen reagieren. Durch Auswahl der geeigneten Reaktionsmatrix können die für die Oberflächenmodifizierung verschiedener Graphenarten erforderlichen funktionellen Gruppen erreicht werden, wie in Abbildung 3 gezeigt. Darüber hinaus kann das Eigengraphen auch eine Cycloaddition mit dem Dienkörper eingehen und die SP2-Kohlenstoffbindung öffnen ein funktionales Produkt herstellen. Auf diese Weise kann ein komplexes Ringsystem, das Heteroatome wie Stickstoff enthält, leicht in Graphen eingeführt werden, damit es in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen eine Rolle spielen kann. Dies steht im Einklang mit seinem Kohlenstoff Guandeng.

Xu et al. reagierte mit Acetylenon als Reduktionsmittel und Graphenoxid unter Verwendung der Aktivkohleatome in Acetylaceton. In der einstufigen Reaktion wurden sowohl Reduktion als auch Funktionalisierung gleichzeitig erreicht, und funktionelles Graphen wurde mit hoch koordinierten Acetylacetoneinheiten auf der Oberfläche erhalten. Dieses Graphen kann nicht nur in verschiedenen Lösungsmitteln wie Wasser dispergiert werden, sondern hat auch eine starke Adsorptionskapazität für CO2 + - und Cd2 + -Plasma.

1.1.2 Pfropfen kovalenter Bindungen von Polymeren

Neben organischen kleinen Molekülen können auf ähnliche Weise auch viele Polymere oder deren Vorläufer an die Oberfläche von Graphen gebunden werden. Fang et al. verband die Arylgruppe mit einer Diazoniumsalzreaktion auf der Graphenoberfläche und führte dann eine radikalische Polymerisation durch, bei der die durch das Diazoniumsalz erzeugten freien Radikale direkt als Initiator der Reaktion verwendet wurden, was zur Verbindung von Graphen mit der Oberfläche von führte Polystyrol. Die Polymerverbindung trennt die Graphenschicht effektiv und vermeidet eine Aggregation. Gleichzeitig bildet das Polymer aufgrund der Wirkung von Graphen eine gut angeordnete Membran.

In ähnlicher Weise kann die Polymerisation vieler Polymervorläufer in der Suspension von Graphenoxid durchgeführt werden, und Graphenoxid spielt natürlich eine Rolle bei der Vernetzung von Polymeren, nicht nur die Eigenschaften von Graphen selbst. Spiel, Die Gesamtleistung von Polymerkomplexen wurde ebenfalls in unterschiedlichem Maße verbessert.

Zusätzlich zur Selbstpolymerisation können Polymere auch aktive funktionelle Gruppen an ihren Kettenenden verwenden, um sich mit der Oberfläche von Graphenoxid zu verbinden, was einige der Nachteile der In-situ-Polymerisation ausgleicht, wie beispielsweise die Fähigkeit, eine Vielzahl von zu pfropfen Polymere auf der Oberfläche von CA Moene. Einschließlich Polymere, die auf der Oberfläche von Graphen nicht polymerisiert werden können. Yu et al. Verbinden Sie P3HT-Moleküle mit Hydroxylgruppen auf GO durch chemische Reaktion und erreichen Sie die elektrischen Eigenschaften von Graphen durch diese leitenden verzweigten Ketten.

Eines der größten Merkmale von Graphen- und Polymerverbindungen besteht darin, dass Graphen und Polymere leicht miteinander vernetzt werden und eine gitterartige Struktur bilden. Darüber hinaus benötigt Graphen aufgrund seiner relativ reichen Tensidgruppen nur eine geringe Menge an Masse. Fraktion, kann eine signifikante Änderung in der Polymerhaltung vornehmen. Viele Graphenpolymerkomplexe weisen in Lösung einen Gelzustand auf, und bei Komplexen, die Feststoffe bilden können, gehen sie häufig mit signifikanten Änderungen der physikalischen Eigenschaften einher. Beispielsweise kann in dem Graphen-Polyvinylalkoholsystem nur 1 Yttrium Graphenoxid die mechanischen Eigenschaften von Polyethylen stark erhöhen, die Zugfestigkeit und der Elastizitätsmodul werden um 88 Yttrium bzw. 150 Yttrium erhöht und aufgrund seiner kovalenten Bindungsverbindung. Die Bruchdehnungsrate hat ebenfalls einen gewissen Anstieg.

1.2 Nichtkovalente Modifikation von Graphen

Bei der praktischen Anwendung von funktionalisiertem Graphen ist es normalerweise erforderlich, die Dispersion von Graphen zu verbessern, eine übermäßige Aggregation zu vermeiden und die inhärente Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit von Graphen aufrechtzuerhalten, während die Modifikation der kovalenten Bindung ein Graphen erzeugt. Die Zerstörung des Autos Junction, Es ist schwierig, diese beiden Anforderungen vollständig zu erfüllen, so dass das Verfahren der nichtkovalenten Bindungsmodifikation breite Aufmerksamkeit erhalten hat.

1.2.1 Lastmodifikation von Nanopartikeln

Graphen als Material mit einer großen spezifischen Oberfläche kann leicht mit verschiedenen Partikeln kombiniert werden, von denen nachgewiesen wurde, dass sie durch Oberflächenadsorption hervorragende Eigenschaften aufweisen. Typische Partikel sind hier Nanopartikel aus Metallen oder Oxiden wie Ag und Fe3O4, die üblicherweise direkt mit funktionellen Gruppen auf der Oberfläche von Graphenoxid verbunden sind oder über eine Klasse von Stabilisatoren nichtkovalent mit der Oberfläche des Eigengraphens verbunden sind. Wie in Abbildung 6 gezeigt, sind diese Nanopartikel nach dem Erhitzen immer noch fest an die Oberfläche von Graphen gebunden.

Neben der kovalenten Bindung von Hydroxyl und Graphen ist Polyvinylalkohol auch ein typisches Beispiel für Wasserstoffbrücken und Graphenoxid. Die Zugabe geeigneter Mengen Polyvinylalkohol kann Graphenoxidtabletten unter Bildung komplexer Netzwerke verbinden. Struktur, bilden Sie ein Gel in wässriger Lösung.

Die Seite enthält den Inhalt der maschinellen Übersetzung.