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研究前沿

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化学还原氧化石墨烯新方法问世

小太阳网登录:2011-08-13      来源:      阅读次数:

  使用强酸性还原剂,所得石墨烯薄膜的导电性、力学强度和柔韧性等有显著提高

  近日,中科院金属所沈阳材料科学国家(联合)实验室先进炭材料研究部的科研人员提出了一种化学还原氧化石墨烯薄膜的新方法。相关工作被国际学术期刊《碳》(Carbon)和《美国化学学会纳米》(ACS Nano)接受发表。

  石墨烯自2004年被发现以来,由于其结构独特、性能优异、应用前景广阔而备受关注。作为石墨烯的重要应用之一,石墨烯透明导电膜以其资源丰富、良好的化学稳定性和柔韧性,有望取代资源缺乏、脆性的铟锡氧化物成为新一代透明导电膜,在柔性显示领域表现出巨大的应用潜力。

  将氧化石墨烯还原是目前低成本、宏量制备石墨烯的一个重要途径。氧化石墨烯是含有丰富含氧官能团的石墨烯衍生物,可通过化学氧化剥离低价的石墨而得,具有良好的水溶性,易于成膜。因此,先利用氧化石墨烯溶液成膜,再对氧化石墨烯薄膜进行还原处理,可以低成本制备出大面积的柔性石墨烯透明导电膜。其关键是采用什么还原方法有效去除氧化石墨烯表面的含氧官能团,获得具有高导电性的石墨烯及其薄膜材料。

  据先容,氧化石墨烯的还原方法主要有两类:高温热处理和低温化学还原。高温热处理通常在1000℃以上的惰性或还原气氛中进行,还原成本较高。低温化学还原可在低于100℃的条件下进行,是一种低成本还原方法;但已报道的化学还原方法中效果最好的肼类还原剂(肼、二甲基肼等)和金属氢化物类还原剂(硼氢化钠、氢化锂铝等)的还原效果仍不理想,且肼类还原剂不仅成本高,还是剧毒物质。因此,迫切需要开发高效、低成本、无污染的低温化学还原方法。

  研究人员通过系统分析,提出了利用氢碘酸、氢溴酸等卤化物还原氧化石墨烯的方法,实现了氧化石墨烯在较低温度下(≤100℃)的快速高效还原,所得石墨烯的碳氧比可达12以上。

  研究还发现,这一方法不仅可以实现对氧化石墨烯粉体的大量高效还原,而且非常适合于对氧化石墨烯薄膜进行直接还原。还原后所得石墨烯薄膜的体积电导率可以达到3×104S/m,明显优于已有化学还原方法的效果。

  更重要的是,还原处理在去除薄膜层间含氧官能团的同时,反应产物以液相形式从薄膜内部析出,产生的毛细作用力使薄膜厚度明显减小、结构更加致密,提高了石墨烯片层之间的结合力,因此还原后得到的石墨烯薄膜在导电性、力学强度和柔韧性等方面有了显著提高,解决了现有低温化学还原方法破坏薄膜结构的瓶颈问题。

  研究人员通过氢碘酸还原由大片氧化石墨烯组装而成的薄膜,直接制备出在84%透光率下表面电阻小于1000欧姆每方块电阻的柔性石墨烯透明导电薄膜,为石墨烯透明导电薄膜在柔性器件领域的广泛应用奠定了基础。

  该研究首次使用强酸性还原剂实现了氧化石墨烯的高效还原,突破了以前氧化石墨烯还原只有在碱性环境中才能有效进行的观点。还原过程研究发现了卤素的取代和自发消去行为,并提出了亲核取代是氧化石墨烯还原反应基本过程的见解,为进一步深化对氧化石墨烯还原机理的认识、发展新的氧化石墨烯还原技术和拓宽氧化石墨烯的应用提供了重要参考。

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