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石墨烯纳米复合材料

来源:科技部  访问: 时间:2012/12/14 [ ] [ 打印 ] [ 关闭 ] [ 收藏 ]

石墨烯纳米复合材料

 

 

  汪信,教授,博士生导师。1985年毕业于南京大学,获无机化学博士学位。长期从事材料化学和无机化学工艺的教学和研究工作。时任国务院学位委员会学科评议组成员,教育部工科化学教学指导委员会委员,中国化学会理事,应用化学委员会副主任。

 

  【报告摘要】

    2004年Geim等制备出石墨烯后(Science306,666,2004),很快成为科学研究的热点。石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料,厚度仅为头发的20万分之一,是构建其它维数碳质材料(如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨)的基本单元,具有极好的结晶性及电学质量。石墨烯由碳原子以错综复杂的方式连接而成,只有单原子层的厚度却保持良好的导电率。科学家已证实石墨烯是目前已知世界上强度最高的材料。石墨烯是零带隙半导体,具备独特的载流子特性和优异的电学质量,其潜在应用包括:作为电池电极材料以提高电池效率、储氢材料、超导材料,含能材料催化剂、场发射材料、量子计算机以及超灵敏传感器等领域。

  与大多数半导体材料不同,石墨烯的性能不随温度变化。曼彻斯特的科学家采用标准半导体制造技术制作出晶体管。从一小片石墨烯片层开始,采用电子束曝光在材料上刻出沟道。在被称为中央岛的中部位置保持一个带有微小圆笼的量子点。电压可以改变这些量子点的电导率,这样就可以像标准场效应晶体管那样储存逻辑态。

  为了能够进一步的扩大石墨烯材料的应用潜能,基于石墨烯的复合物也引起了广泛的兴趣。Ruoff等人将改性后的氧化石墨烯添加到高聚物中,从而制备得到了高聚物—石墨烯复合物(Nature2006,442,282–286)。由于石墨烯具有独特导电性和机械强度,添加石墨烯后所获得的高聚物在电学和力学方面上的性能得到了很大的提高。由于石墨烯具有的特殊物理化学性能以及独特的二维纳米结构,也被看作成非常具有潜力的一种纳米组合器件。最近的研究表明,石墨烯及其衍生物可以作为一种非常优越的二维载体来分散和稳定无机纳米粒子,这些复合物在催化,传感器等方面的已显示出某些特殊的性能。

  我们实验室以氧化石墨为原料制备了一系列的石墨烯及其氧化衍生物负载无机纳米粒子的复合材料:(1)氧化石墨烯-纳米粒子复合物,由于氧化石墨的表面具有大量的氧基功能团,这些功能团可以作为一些纳米粒子的成核中心,从而使纳米粒子能够吸附在表面,已制备出氧化石墨烯负载的单质金属纳米粒子、金属氧化物和硫化物纳米粒子;(2)石墨烯-纳米粒子复合物,通过不同的还原方法,合成出石墨烯负载单质金属(如铂,金,钯等)纳米粒子,以及负载二氧化钛等氧化物的纳米粒子。石墨烯-纳米粒子复合材料已展现出许多优越的性能,例如,氧化石墨烯-四氧化三钴复合物对高氯酸铵的分解具有很好的催化作用,既可以降低高氯酸铵的分解温度,又能提高放热量;又如,石墨烯负载金属铂纳米粒子复合物对甲醇具有很好的催化作用,且对一氧化碳有很好的抗中毒性能,预计在燃料电池上获得应用。

  目前,关于石墨烯-纳米粒子复合物的工作还在起步阶段,很多问题值得研究,在这一领域一定大有可为。

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