高浓度石墨烯水系分散液及其气液界面自组装膜

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1、万方数据第26卷第1期2011年2月新型炭材料NEWCARBoNMATERIALSV01．26No．1Feb．20Il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，可以得到浓度高达一1．3me,／mL的石器烯分

2、散液，这种高浓度石墨烯分散液可以在气液界面白组装得到石墨烯膜，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：TQl27．1+1TB383文献标识码：A1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¨。2J。在实际应用中，石墨烯片层容易发生聚集，影响石

3、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E，依靠静电斥力或分子间作用力，实现石墨烯的单层分散，进而为基于石罨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)表面活性剂水溶液阳。41；(2)有机溶剂‘5引；(3)超酸

4、8】。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

5、报道的最高值仅为0．3me,／mLH1；有机溶剂町以得到较高浓度的石墨烯分散液，最高可达1．2mg／mL【7J，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；剑目前为止，浓度最高的石墨烯分散液(一2mg／mL¨1)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。Wal

6、lace等一j用氧化石墨烯还原后的分散液为原料，采用真守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¨0【。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

7、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⋯J。本文主要报道不同表面活性剂水溶液对石墨烯的分敞能力，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。收稿日期：2010一12-26；修回日期：2011-02—10基金项目：国家自然科学基金(50

8、972101)，粤港招标东莞专项项目(2009205119)，广东省教育部产学研结合项目(20098090300011)。广东省一中国科学院伞面战略合作项目(200913091300007)，煤转化国家蕈点实验室基金(10．1I-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．Tel：+86-22-2740—1097，E—mail：qhyangcn@tju．edu．cn作者简介：魏伟(1987一)男，辽宁人。硕士研究生，研究方向：新型炭材料与储能材料

9、．E—mail：chemweiwei@gmail．corn万方数据第l期魏伟等：高浓度石墨烯水系分散液及其气液界面自组装膜·37·2实验石墨烯分散液的制备：所用石墨烯采用低温化学解理氧化石墨方法制得¨21。为了比较不同表面活性剂溶液对石墨烯的分散能力，考察了相同浓度表面活性剂溶液对等量石墨烯的分散程度。首先将不同的表面活性剂配制成相同浓度水溶液，向其中加入等量石墨烯，在冰水浴中，功率200W下超声(JY92一N，细胞超声粉碎机)2h。超声后