第26卷 第1期2011年2月

新 型 炭 材 料NEWCARBONMATERIALS

Vo.l26 No.1

Feb.2011

文章编号: 1007 8827(2011)01 0036 05

高浓度石墨烯水系分散液及其气液界面自组装膜

魏 伟, 吕 伟, 杨全红

(天津大学化工学院,天津300072)

摘 要: 通过测试石墨烯分散液的吸光度,比较了几种表面活性剂分散石墨烯的能力。结果表明:聚乙烯吡咯烷酮(PVP)这种 绿色 、低成本的表面活性剂,具有很好的分散能力。通过提高PVP溶液浓度,可以得到浓度高达~1.3mg/mL的石墨烯分散液,这种高浓度石墨烯分散液可以在气液界面自组装得到石墨烯膜,这种无支撑石墨烯膜具有平整的表面和规则的结构,在很多领域都有良好的潜在应用价值。关键词: 表面活性剂;石墨烯分散;气液界面自组装;石墨烯膜中图分类号: TQ127.1+1

TB383

文献标识码: A

1 前言

石墨烯是具有严格二维结构的碳质纳米晶体,自从2004年发现以来,就引起了科研工作者的广泛关注。石墨烯具有优异的力学、电子、光学以及热学性质,已经被广泛应用于纳电子、能量存储、催化、生物传感器等领域

[1 2]

获得高浓度石墨烯分散液,无疑会促进石墨烯在催化、复合材料等领域得到更广泛的应用,这也是当前石墨烯研究中一个重要课题。

石墨烯膜材料是石墨烯研究的热点之一。Wallace等

[9]

用氧化石墨烯还原后的分散液为原

。在实际应用中,石墨烯片层容

料,采用真空过滤的方法首次制备了石墨烯膜。目前,石墨烯膜的制备一般均采用石墨烯分散液为原料,利用真空过滤法制备,或者是先制备出氧化石墨烯膜,然后通过化学或热还原得到石墨烯膜。近期,笔者提出了一种气液界面自组装方法,制备了无支撑的氧化石墨烯膜。这种氧化石墨烯膜通过氧化石墨烯层层自组装获得,具有良好的机械性能和光学性能,并可通过调节气液界面面积和组装时间调控氧化石墨烯膜的尺寸和厚度

[10]

易发生聚集,影响石墨烯性能的发挥,因此通常将石墨烯分散在有机溶剂或表面活性剂水溶液中,溶剂分子或表面活性剂分子吸附在石墨烯表面上,依靠静电斥力或分子间作用力,实现石墨烯的单层分散,进而为基于石墨烯的材料组装以及性质研究提供方便。均一、稳定的分散液是石墨烯在众多领域应用和研究的重要条件,但是目前报道的石墨烯分散液浓度都较低,限制了石墨烯发展。

目前分散石墨烯的体系主要有三种:(1)表面活性剂水溶液;(2)有机溶剂;(3)超酸。其中:表面活性剂水溶液成本低,操作简便,但是得到的石墨烯分散液浓度较低,目前文献报道的最高值仅为0.3mg/mL;有机溶剂可以得到较高浓度

[7]

的石墨烯分散液,最高可达1.2mg/mL,但有机溶剂成本高,沸点较高,不易除去,不利于石墨烯的进一步应用;到目前为止,浓度最高的石墨烯分散液

[8]

(~2mg/mL)是在超酸体系中得到的,该体系具有强酸性,对设备要求高且操作过程中需要格外小心,很难扩展到其他应用中。如能在水溶液体系中

收稿日期:2010 12 26; 修回日期:2011 02 10

[4]

[3 4]

[5 7]

…… 此处隐藏0字 ……

[8]

。气液界面自组装

是一种制备氧化石墨烯膜的便捷方法,但是利用它制备石墨烯膜却很困难。这可能是由于石墨烯表面官能团数目少,分散液浓度较低,石墨烯片层之间不能有效搭接形成石墨烯膜所致。针对这一问题,笔者又采用氧化石墨烯作为模板和粘结剂,制备了导电性可调节的石墨烯与氧化石墨烯的复合膜。 本文主要报道不同表面活性剂水溶液对石墨烯的分散能力,其中使用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶液可以得到高浓度的石墨烯分散液,最高浓度可以达到1.3mg/mL。同时利用该高浓度分散液可在气液界面自组装获得石墨烯薄膜。

[11]

基金项目:国家自然科学基金(50972101),粤港招标东莞专项项目(2009205119),广东省教育部产学研结合项目(2009B090300011),广东

省 中国科学院全面战略合作项目(2009B091300007),煤转化国家重点实验室基金(10 11 913)和教育部 新世纪优秀人才支持计划 (NCET 07 0607).

通讯作者:杨全红,教授,博导. Te:l+86 22 2740 1097, E mai:lqhyangcn@

)男,,,:. mi:lchemweiweigmai.l