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粉体百科丨石墨烯的表面改性方法盘点


来源:中国粉体网   墨玉

[导读]  石墨烯因其优异的性能被广泛应用于纳米电极、超级电容器、生物感应器、药物传递、太阳能电池、氢气储存、晶体管、聚合物纳米复合材料等领域。

中国粉体网讯  石墨烯因其优异的性能被广泛应用于纳米电极、超级电容器、生物感应器、药物传递、太阳能电池、氢气储存、晶体管、聚合物纳米复合材料等领域。但是结构完整的石墨烯片层表面呈惰性,片层间容易因较强的范德华力而发生团聚,因此难以均匀分散于水及常用的有机溶剂。为了能充分利用石墨烯的优异性能,改善其可成型加工性,需要对石墨烯进行表面改性,改善其溶解性以及在基体中的分散性。




石墨烯的表面改性


石墨烯的改性一般都是改性更容易操作的氧化石墨烯。与物理改性方法相比,用化学的方法改性石墨烯更加常见,效果更稳定。而化学改性方法通常又分共价键改性和非共价键改性两种。


共价键改性


共价键改性是将功能化基团与氧化石墨烯表面的“含氧基团”进行“缝合”,由于氧化石墨烯上存在羧基(-COOH)、羟基(-OH)和环氧基(-O-)、羰基(C=O)等活性基团,能与一些小分子或大分子之间反应,因而可以利用这些基团与其他分子之间的化学反应对石墨烯表面进行共价键功能化;除此之外,还应有石墨烯原位(G)的共价键改性。


非共价键改性


除共价键功能化外,还可通过非共价键连接方法对石墨烯表面进行功能化,即可用π-π相互作用、离子键以及氢键等超分子作用使石墨烯表面得到修饰,从而提高石墨烯的分散性。由于石墨烯本身具有高度共轭体系,其易于与同样具有π-π键的共轭结构或者含有芳香结构的小分子和聚合物发生较强的π-π相互作用。但会引入其它组分,比如:生物大分子、表面活性剂、离子液体、纳米粒子等。


石墨烯的电子性能改性


为了更好地将石墨烯这种具有优良物理性能的材料利用到半导体电子器件领域,需要对其电子结构进行适当的控制以调节其电子性能。目前,可通过掺杂和离子轰击方法来改变石墨烯的电子性能。


掺杂


掺杂可完全改变半导体的基本特性,并有效控制半导体纳米晶体的光、电、磁学特性,直接促使高效率新型光电子器件的实现,为纳米晶体的广泛应用提供了巨大空间。该方法也可用来扩展石墨烯在光电子器件领域的应用。


大量研究表明石墨烯掺杂是调控石墨烯电学与光学性能的一种有效手段。例如Wei等采用化学气相沉积(CVD)方法成功制备了氮掺杂石墨烯,对该氮掺杂石墨烯的电学性能进行检测后发现其具有n型半导体的特征。


离子轰击


另一种改变石墨烯电子性能的方法是离子轰击,即赋予离子一定的初始能量,使其轰击石墨烯靶材。轰击会导致石墨烯中缺陷(如空位、纳米孔、取代缺陷、吸收缺陷等)的产生。石墨烯中这些缺陷的存在会导致其电子运动状态发生变化,例如,石墨烯中空位的存在会使其费米能级附近的电子状态发生根本性变化。


Al-harthi等用1keV的Ar+轰击石墨烯表面,结果表明离子轰击使得不同振幅和周期性的褶皱结构出现,导致石墨烯中的电子状态发生变化,即sp2键转化为sp3杂化状态。该研究说明离子轰击能改变石墨烯的电子能带结构,进而影响其电子性能。‍


参考来源:

金永学.石墨烯的表面改性及其在涂层中的应用

王岩松.石墨烯的化学改性及其在皮革中的研究进展

覃信茂.石墨烯改性研究进展


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