石墨烯氣凝膠研究進(jìn)展

1、石墨烯氣凝膠的研究進(jìn)展石墨烯氣凝膠的研究進(jìn)展姓名：王敘春姓名：王敘春學(xué)號(hào)：學(xué)號(hào)：1472356714723567目錄一、一、石墨烯的制備石墨烯的制備及其研究進(jìn)展及其研究進(jìn)展二、二、氣凝膠的結(jié)構(gòu)氣凝膠的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)及其性質(zhì)三、三、石墨烯氣凝膠石墨烯氣凝膠的研究進(jìn)展的研究進(jìn)展主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、石墨烯的制備及其研究進(jìn)展一、石墨烯的制備及其研究進(jìn)展1.1、石墨烯到底是什么？ 石墨烯是人們發(fā)現(xiàn)的第一種由單層原子構(gòu)成的材料。是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格狀的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。 石墨烯是已知的世上最薄的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，它的電阻率也

2、很低，只有大約10-8cm，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料一、石墨烯的制備及其研究進(jìn)展一、石墨烯的制備及其研究進(jìn)展1.2、單層碳原子結(jié)構(gòu)的材料碳納米管碳納米管富勒烯富勒烯石墨烯石墨烯氣凝膠氣凝膠單層碳原子單層碳原子1.3 石墨烯的制備方法機(jī)械剝離法碳化硅(SiC)外延生長(zhǎng)法氧化還原法化學(xué)氣相沉積法（CVD法）一、石墨烯的制備及其研究進(jìn)展一、石墨烯的制備及其研究進(jìn)展1234物理方法物理方法化學(xué)方法化學(xué)方法Wen Qian,Rui Hao ,Yanglong Hou. Solvothermal-assisted exfoliation process to produce graphene

3、with high yield and high quality. Nano Research, 2009(2),706-712機(jī)械剝離法機(jī)械剝離法 在保護(hù)氣氛下加熱石墨粉末到1000保持一分鐘，獲得膨脹石墨，隨后將其加入到乙腈(CAN)溶劑中，加熱至180，保持12小時(shí)，經(jīng)過(guò)熱溶劑化過(guò)程后，CAN分子進(jìn)入膨脹石墨的夾層空間，未反應(yīng)的石墨沉到瓶底，而經(jīng)過(guò)溶劑化反應(yīng)后的石墨因?yàn)槠浔容^松散的結(jié)構(gòu)，通常會(huì)懸浮在溶劑中。再對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行超聲處理一個(gè)小時(shí)，獲得一種懸浮液體，對(duì)混合物進(jìn)行離心分離，即可制得穩(wěn)定分散的石墨烯溶液 。一、石墨烯的制備及其研究進(jìn)展一、石墨烯的制備及其研究進(jìn)展結(jié)論：結(jié)論：對(duì)于沒(méi)有經(jīng)過(guò)溶

4、劑熱過(guò)程處理的膨脹石墨，對(duì)于沒(méi)有經(jīng)過(guò)溶劑熱過(guò)程處理的膨脹石墨，CANCAN分子很難進(jìn)入其分子很難進(jìn)入其夾層空間。夾層空間。表1 四種不同方法制得的樣品Wen Qian,Rui Hao ,Yanglong Hou. Solvothermal-assisted exfoliation process to produce graphene with high yield and high quality. Nano Research, 2009(2),706-712一、石墨烯的制備及其研究進(jìn)展一、石墨烯的制備及其研究進(jìn)展Keun Soo Kim, Yue Zhao, Jae-Young Choi,

5、 Byung Hee Hong, et al. Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes. Nature,2009,457:706-710化學(xué)氣相沉積法（CVD法）Keun Soo Kim, Yue Zhao, Jae-Young Choi, Byung Hee Hong, et al. Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes. Nature,

6、2009,457:706-710Figure3 | Transfer processes for large-scale graphene filmsa. a. 生長(zhǎng)在生長(zhǎng)在Ni/SiONi/SiO2 2/Si/Si上的厘米上的厘米級(jí)尺寸的石墨烯薄膜級(jí)尺寸的石墨烯薄膜b. b. 經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)FeClFeCl3 3刻蝕掉金屬鎳基層刻蝕掉金屬鎳基層后，漂浮的石墨烯，這種漂浮的后，漂浮的石墨烯，這種漂浮的石墨烯可以通過(guò)直接接觸其基底石墨烯可以通過(guò)直接接觸其基底來(lái)轉(zhuǎn)移來(lái)轉(zhuǎn)移c. c. 通過(guò)不同圖案的金屬鎳層，通過(guò)不同圖案的金屬鎳層，可以制備不同圖案的石墨烯薄膜可以制備不同圖案的石墨烯薄膜d,ed,e分別是

7、使用硅橡膠來(lái)轉(zhuǎn)移石分別是使用硅橡膠來(lái)轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜墨烯薄膜f. f. 附著在硅橡膠上的石墨烯薄附著在硅橡膠上的石墨烯薄膜透明且柔韌膜透明且柔韌g. g. 附有石墨烯薄膜的硅橡膠與附有石墨烯薄膜的硅橡膠與二氧化硅面接觸，二氧化硅面接觸，h. h. 在二氧化硅基底上留下有圖在二氧化硅基底上留下有圖案的石墨烯薄膜案的石墨烯薄膜證明這個(gè)干燥轉(zhuǎn)移在大面積石墨證明這個(gè)干燥轉(zhuǎn)移在大面積石墨烯電極轉(zhuǎn)移過(guò)程和沒(méi)有額外光刻烯電極轉(zhuǎn)移過(guò)程和沒(méi)有額外光刻設(shè)備的情況下是非常有用的設(shè)備的情況下是非常有用的二、氣凝膠的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)二、氣凝膠的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì) 氣凝膠是指采用特殊工藝把濕凝膠中的液體用氣體置換而不顯著氣凝膠是指采

8、用特殊工藝把濕凝膠中的液體用氣體置換而不顯著改變凝膠網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和體積而得到的具有低密度和高比表面積的高度改變凝膠網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和體積而得到的具有低密度和高比表面積的高度多孔性納米材料。多孔性納米材料。 只要是將凝膠中的液體被氣體所取代，同時(shí)凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本只要是將凝膠中的液體被氣體所取代，同時(shí)凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本保留不變，這樣所得的材料都稱為氣凝膠。保留不變，這樣所得的材料都稱為氣凝膠。水凝膠水凝膠氣凝膠氣凝膠冷凍干燥冷凍干燥溶劑置換溶劑置換二、氣凝膠的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)二、氣凝膠的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)氣凝膠氣凝膠世界上最輕的材料世界上最輕的材料二、氣凝膠的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)二、氣凝膠的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì) 就結(jié)構(gòu)而言，氣凝

9、膠微觀上呈鏈狀或串珠狀結(jié)構(gòu)，直徑一般在十幾納米就結(jié)構(gòu)而言，氣凝膠微觀上呈鏈狀或串珠狀結(jié)構(gòu)，直徑一般在十幾納米以下。以二氧化硅氣凝膠為例，通常其孔徑分布較窄，主要是開放與聯(lián)通的以下。以二氧化硅氣凝膠為例，通常其孔徑分布較窄，主要是開放與聯(lián)通的介孔，普通二氧化硅氣凝膠的孔結(jié)構(gòu)呈無(wú)序狀態(tài)。如圖所示介孔，普通二氧化硅氣凝膠的孔結(jié)構(gòu)呈無(wú)序狀態(tài)。如圖所示何飛, 赫曉東, 楊麗麗 ,等. 二氧化硅氣凝膠的制備方法研究. 材料導(dǎo)報(bào) 2005,（專輯）:31鄭文芝. 二氧化硅氣凝膠研制及其結(jié)構(gòu)性能研究 . 華南理工大學(xué). 20102.1 2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)二、氣凝膠的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)二、氣凝膠的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)2

10、.2 2.2 氣凝膠的性質(zhì)氣凝膠的性質(zhì)空間網(wǎng)狀空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)低導(dǎo)熱系數(shù)低導(dǎo)熱系數(shù)0.013W/(Km)低密度低密度（3kg/m3）高孔隙率高孔隙率（80%-99%）比表面積大比表面積大1000m2/g二、氣凝膠的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)二、氣凝膠的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)二、氣凝膠的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)二、氣凝膠的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)氣凝膠氣凝膠無(wú)機(jī)氣凝膠無(wú)機(jī)氣凝膠（二氧化硅氣凝膠）（二氧化硅氣凝膠）有機(jī)氣凝膠有機(jī)氣凝膠（RF氣凝膠）氣凝膠）碳?xì)饽z碳?xì)饽z（石墨烯氣凝膠）（石墨烯氣凝膠）2.3 2.3 氣凝膠的分類氣凝膠的分類二、氣凝膠的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)二、氣凝膠的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)2.4 2.4 氣凝膠的制備氣凝膠的制備 氣凝膠材料的制

11、備一般包括兩個(gè)過(guò)程，溶膠凝膠過(guò)程和干燥過(guò)程，前者主氣凝膠材料的制備一般包括兩個(gè)過(guò)程，溶膠凝膠過(guò)程和干燥過(guò)程，前者主要是獲得具有一定空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的含有少量催化劑的濕凝膠，后者則是去掉濕凝要是獲得具有一定空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的含有少量催化劑的濕凝膠，后者則是去掉濕凝膠網(wǎng)絡(luò)骨架中的溶劑，得到最終的氣凝膠材料。膠網(wǎng)絡(luò)骨架中的溶劑，得到最終的氣凝膠材料。 目前氣凝膠的制備工藝的差異主要體現(xiàn)在干燥方法上，常用的干燥方法有以目前氣凝膠的制備工藝的差異主要體現(xiàn)在干燥方法上，常用的干燥方法有以下幾種下幾種超臨界干燥超臨界干燥常壓干燥常壓干燥冷凍干燥冷凍干燥傳導(dǎo)干燥傳導(dǎo)干燥二、氣凝膠的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)二、氣凝膠的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)

12、溶膠溶膠凝膠法制備凝膠法制備SiOSiO2 2氣凝膠氣凝膠 以正硅酸乙酯（以正硅酸乙酯（TEOS)TEOS)、乙醇（、乙醇（EtOH)EtOH)和蒸餾水為原料，鹽酸為酸性催化和蒸餾水為原料，鹽酸為酸性催化劑促進(jìn)劑促進(jìn)TOESTOES水解，氨水為堿性催化劑促進(jìn)水解產(chǎn)物縮聚，并不斷長(zhǎng)大、交聯(lián)，水解，氨水為堿性催化劑促進(jìn)水解產(chǎn)物縮聚，并不斷長(zhǎng)大、交聯(lián)，形成凝膠顆粒，常溫靜置得到顆粒狀凝膠，繼續(xù)在乙醇中老化，放入干燥箱形成凝膠顆粒，常溫靜置得到顆粒狀凝膠，繼續(xù)在乙醇中老化，放入干燥箱內(nèi)干燥。內(nèi)干燥。TEOS的水解過(guò)程反應(yīng)式的水解過(guò)程反應(yīng)式胡守亮. SiO2氣凝膠充填非石墨化泡沫炭復(fù)合隔熱材料的研究.

13、哈爾濱工業(yè)大學(xué). 2010二、氣凝膠的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)二、氣凝膠的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)K.Mosig,T.Jacobs,K.Brennan.et al. Integration challenges of porous ultra low-k spin-on dielectrics. Microelectronic Engineering,2002,64:11-24溶膠溶膠凝膠法制備凝膠法制備SiO2氣凝膠氣凝膠三、石墨烯氣凝膠的研究進(jìn)展三、石墨烯氣凝膠的研究進(jìn)展石墨烯氣凝膠石墨烯氣凝膠石墨烯石墨烯氣凝膠氣凝膠高導(dǎo)電性能高強(qiáng)度比表面積大超低密度高空隙率強(qiáng)吸附性3.1 石墨烯氣凝膠的產(chǎn)生及其性能石墨烯氣凝膠

14、的產(chǎn)生及其性能三、石墨烯氣凝膠的研究進(jìn)展三、石墨烯氣凝膠的研究進(jìn)展 基于以上對(duì)石墨烯和氣凝膠的了解，可以制備出一種以石墨烯為骨架單元基于以上對(duì)石墨烯和氣凝膠的了解，可以制備出一種以石墨烯為骨架單元的氣凝膠，這種產(chǎn)品既提供了一種二維石墨烯的三維集成與組裝方法，又賦予的氣凝膠，這種產(chǎn)品既提供了一種二維石墨烯的三維集成與組裝方法，又賦予了石墨烯以氣凝膠形式存在時(shí)所特有的性能，因而無(wú)論在基礎(chǔ)科學(xué)還是在應(yīng)用了石墨烯以氣凝膠形式存在時(shí)所特有的性能，因而無(wú)論在基礎(chǔ)科學(xué)還是在應(yīng)用科學(xué)方面都有非常重要的意義科學(xué)方面都有非常重要的意義定義：以石墨烯為骨架單元的氣凝膠定義：以石墨烯為骨架單元的氣凝膠高比表面積高比表

15、面積高導(dǎo)電率高導(dǎo)電率良好的機(jī)械性能良好的機(jī)械性能三、石墨烯氣凝膠的研究進(jìn)展三、石墨烯氣凝膠的研究進(jìn)展3.2 3.2 石墨烯氣凝膠的制備方法石墨烯氣凝膠的制備方法1、以、以RF為黏接劑制備石墨烯氣凝膠為黏接劑制備石墨烯氣凝膠2、利用水熱法制備石墨烯氣凝膠、利用水熱法制備石墨烯氣凝膠區(qū)別區(qū)別制備過(guò)程中是否需要使用黏接劑制備過(guò)程中是否需要使用黏接劑三、石墨烯氣凝膠的研究進(jìn)展三、石墨烯氣凝膠的研究進(jìn)展3.3 3.3 石墨烯氣凝膠的制備實(shí)例分析石墨烯氣凝膠的制備實(shí)例分析 用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)( 0 4%) 的酚醛聚合物RF作黏接劑，以碳酸鈉為催化劑，在氧化石墨的水分散液中合成了RF-GO濕凝膠。經(jīng)丙酮溶劑交換

16、和超臨界二氧化碳干燥后，在氮?dú)鈿夥障?，?050高溫?zé)峤膺€原制得石墨烯氣凝膠。實(shí)例一實(shí)例一Worsley M A, Pauzauskie P J, Olson T Y, et al. Synthesis of graphene aerogel with high electrical conductivity. Journal of the American Chemical Society, 2010, 132( 40): 14067-14069.Graphene oxideRF , CWet GO-RF gelswashed in acetonepyrolysis at 1050 unde

17、r nitrogen supercritical CO2 driedGO-RF aerogelGraphene aerogel3.3 3.3 石墨烯氣凝膠的制備實(shí)例分析石墨烯氣凝膠的制備實(shí)例分析實(shí)例二實(shí)例二 合成路線：在強(qiáng)機(jī)械攪拌的作用下， 在200ml含有60ml的4.0mg/ml的GO的燒杯中，加入0.72gL-抗壞血酸，直到完全溶解，加熱到40后保持至少16小時(shí)以形成石墨烯水凝膠，獲得的水凝膠至少要在去離子水的作用下凈化一周，以去除小分子物質(zhì)（包括L-抗壞血酸和它的氧化物），然后通過(guò)冷凍干燥獲得石墨烯氣凝膠。氧化石墨氧化石墨4.0mg/ml4.0mg/ml加入加入0.72g L-0.72

18、g L-抗壞血酸抗壞血酸攪拌至完全溶解攪拌至完全溶解加熱到加熱到 40保持至保持至少少16小時(shí)，小時(shí)，去離子水中去離子水中純化一周純化一周石墨烯水凝膠石墨烯水凝膠石墨烯氣凝膠石墨烯氣凝膠冷凍干燥冷凍干燥乙醇置換乙醇置換石墨烯醇凝膠石墨烯醇凝膠Zhang Xuetong, Sui Zhuyin, Luo Yunjun, et al. Mechanically strong and highly conductive graphene aerogel and its used as electrodes for electro-chemical power sources Journal of M

19、aterials Chemistry，2011，21( 18): 6494 6497超臨界超臨界CO2干燥干燥三、石墨烯氣凝膠的研究進(jìn)展三、石墨烯氣凝膠的研究進(jìn)展 通過(guò)加熱氧化石墨和L-抗壞血酸混合液成功地制備了石墨烯氣凝膠，選擇L-抗壞血酸為還原劑是由于其在還原過(guò)程中不產(chǎn)生任何氣體，可形成均勻的氣凝膠。Zhang Xuetong, Sui Zhuyin, Luo Yunjun, et al. Mechanically strong and highly conductive graphene aerogel and its used as electrodes for electro-che

20、mical power sources Journal of Materials Chemistry，2011，21( 18): 6494 6497實(shí)例二實(shí)例二氧化石墨烯水分散液石墨烯水凝膠左右分別為超臨界CO2干燥和冷凍干燥制得的石墨烯氣凝膠承重自身質(zhì)量約14000倍的石墨烯氣凝膠實(shí)例二實(shí)例二Zhang Xuetong, Sui Zhuyin, Luo Yunjun, et al. Mechanically strong and highly conductive graphene aerogel and its used as electrodes for electro-chemical

21、 power sources Journal of Materials Chemistry，2011，21( 18): 6494 6497石墨烯氣凝膠的表面形貌分析石墨烯氣凝膠的表面形貌分析 對(duì)于超臨界對(duì)于超臨界COCO2 2干燥的石墨烯氣凝膠，大范圍形貌比較均一，放大后可以發(fā)現(xiàn)其三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)干燥的石墨烯氣凝膠，大范圍形貌比較均一，放大后可以發(fā)現(xiàn)其三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是隨機(jī)取向的，且介孔分級(jí)明顯，片狀石墨烯中自由分布著一些大孔（大于是隨機(jī)取向的，且介孔分級(jí)明顯，片狀石墨烯中自由分布著一些大孔（大于50nm50nm），同時(shí)也有很），同時(shí)也有很多中孔（多中孔（2-50nm2-50nm），通過(guò)冷凍干燥的石墨烯氣凝膠雖然在大范圍取景中有著類似左圖的三維網(wǎng)絡(luò)），通過(guò)冷凍干燥的石墨烯氣凝膠雖然在大范圍取景中有著類似左圖的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但其介孔特征也有明顯不同，大孔結(jié)構(gòu)較多，幾乎沒(méi)有中孔結(jié)構(gòu)。宏觀表現(xiàn)為產(chǎn)品密度不結(jié)構(gòu)，但其介孔特征也有明顯不同，大孔結(jié)構(gòu)較多，幾乎沒(méi)有中孔結(jié)構(gòu)。宏觀表現(xiàn)為產(chǎn)品密度不同。同。三、石墨烯氣凝膠的研