自碳纳米管(CNTs)在1991年被Iijima报道以来[10],这种具有一维纳米尺寸的管状碳材料以其独特的力学、电学、热学及光学特性,在电极材料、医学、储氢装置和催化剂等诸多领域[11~13]得到了广泛的应用。锂离子电池领域是碳纳米管相当有潜力的应用方向之一。首先,碳纳米管自身就是一种***的锂离子电池负极材料;其次,碳纳米管尤其是使用化学气相沉积技术制备的定向生长的三维碳纳米管阵列具备优异的机械强度,并且由于其独特的弹道电子传导效应及抗电迁移能力,其电导率可高达105S/m[14]。将其作为三维导电结构或导电添加剂加入到其他电极材料之中,不但可提高复合电极的电子与离子传输能力,还可***增强电极的机械性能。石墨烯环氧树脂由石墨烯与环氧树脂原位聚合制备得到,有效解决了石墨烯分散的难题。绿色氧化石墨烯类型
石墨经过氧化处理后得到氧化石墨,氧化石墨仍保持石墨的层状结构,但在每一层的石墨烯单片上引入了许多氧基功能团。这些氧基功能团的引入使得单一的石墨烯结构变得非常复杂。鉴于氧化石墨烯在石墨烯材料领域中的地位,许多科学家试图对氧化石墨烯的结构进行详细和准确的描述,以便有利于石墨烯材料的进一步研究,虽然已经利用了计算机模拟、拉曼光谱,核磁共振等手段对其结构进行分析,但由于种种原因(不同的制备方法,实验条件的差异以及不同的石墨来源对氧化石墨烯的结构都有一定的影响),氧化石墨烯的精确结构还无法得到确定。大家普遍接受的结构模型是在氧化石墨烯单片上随机分布着羟基和环氧基,而在单片的边缘则引入了羧基和羰基。**近的理论分析表明氧化石墨烯的表面官能团并不是随机分布,而是具有高度的相关性。过滤氧化石墨烯纳米材料石墨烯适用于锂离子电池正负极材料导电添加剂,可有效提高电池能量,改善循环寿命和倍率性能。
储能电池在人们的日常通信及绿色出行等领域发挥着日益重要的作用,这就对先进的锂离子电池与锂硫电池电极制备技术提出了更高的要求。大量研究成果表明以碳纳米管与石墨烯为**的纳米碳材料因其优异的导电能力、良好的机械性能以及独特的形貌与结构特征,可在不同的应用模式下显著提高储能电池的容量性能、倍率性能以及循环寿命。与此同时也应认识到在这些材料取得更加***与商业化的应用前还需要解决以下问题:(1)研发低成本与环境友好的高质量材料制备技术。碳纳米管与石墨烯的导电能力对其所应用的电极性能有着决定性的影响,因而需要不断完善与探索新的制备工艺(如气相沉积法)与化学改性(如元素掺杂)方法。
由于石墨烯三维网络具有巨大的比表面积和独特的光电特性,基于石墨烯的材料已被用于各种传感设备的构造。俞书宏教授团队[38]制备了RGO/聚氨酯(PU)海绵传感器,其电阻变化依赖于在压缩变形过程中导电纳米纤维之间接触程度的改变。测试表明,该压力传感器可以检测低至9Pa的压力,当压力到达45Pa时能够提供清晰的输出信号,具有非常高的灵敏性,并且可以在1万次循环测试中输出可重复的信号。基于RGO/PU海绵压力传感器具有高灵敏度、长循环寿命和可大规模制造的特点,使其有希望成为制造低成本人造皮肤的理想选择。石墨烯防腐浆料可与基体材料进行复合,从而赋予该材料导电、导热、机械增强的性能。
催化剂可以是天然或合成材料,例如酶、有机化合物、金属和金属氧化物。碳纳米材料包括炭黑、碳纳米管(CNT)、石墨烯及其衍生物,是许多合成催化剂的重要组分。它们已被用作有效催化剂或其他催化剂的载体。在上述碳材料中,石墨烯**近引起了**强烈的关注。这主要是由于石墨烯与开发新催化剂的其他碳同素异形体相比具有多项优势。一是,石墨烯的理论比表面积高达约2600m2·g-1,是单壁碳纳米管的两倍,高于单壁碳纳米管、大多数炭黑和活性炭。这种结构特征使得石墨烯非常适合作为负载催化剂的二维载体的潜在应用。此外,局部共轭结构赋予石墨烯在催化反应中对基板的吸附能力增强。二是,石墨烯材料,尤其是化学改性石墨烯(CMG),可以将氧化石墨及其衍生物作为起始原料,通过使用石墨以较低成本大规模获得。石墨烯材料不含碳纳米管中存在的几乎不可避免的金属杂质,这会阻碍催化反应中的碳纳米管性能。三是,石墨烯的优异电子迁移率促进催化反应期间的电子转移,改善其催化活性。四是,石墨烯还具有高的化学、热学、光学和电化学稳定性,可以提高催化剂的寿命。氧化石墨烯含有丰富的羟基、羧基和环氧基等含氧官能团,更高的氧化程度,更好的剥离度。氧化石墨烯资料
氧化石墨烯可以应用于锂离子电池。绿色氧化石墨烯类型
真空抽滤法是一种制备石墨烯薄膜的**常见方法。由于氧化石墨烯的片层含有大量羧基、羰基等亲水性含氧官能团,并且片层间具有静电相互作用不容易团聚,因此在不借助分散剂的情况下也能在水溶液中分散均匀,从而形成稳定的分散液,非常有利于真空抽滤过程中片层的紧密排列[43,44]。Liu[45】等人采用真空抽滤法制备了具有有序排列结构和高密度的GO/PDA复合膜。在GO/PDA复合膜中,GO的含氧官能团与PDA的胺基之间存在氢键相互作用,并且PDA对GO具有还原的作用。在经过3000°C高温处理之后,PDA被转化为具有***石墨晶体结构的CPDA纳米颗粒(CPDANPs),对石墨烯片层起到了增强的作用,从而使复合膜的拉伸强度、电导率和热导率绿色氧化石墨烯类型
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