機能性グラフェンの調製と応用の進歩

グラフェンは、SP2混成軌道で平面共有結合を形成する炭素原子で構成されるハニカム単層炭素構造です。また、フラーレンやカーボンナノチューブなどの多くのナノカーボン構造の基本構造単位でもあります。それはGeimらによって首尾よく準備されたので。 2004年、グラフェンは近年、非常に高い機械的強度、キャリアの移動度と伝導性、熱伝導性、光透過性、および化学的安定性を備えたスター材料になりました。学界や産業界から幅広い注目を集めています。

しかし、これらの比類のない特性とは対照的に、実際に生産や生活で使用されるグラフェン材料には、さまざまな特性が必要です。たとえば、グラフェンは理論表面積が最大2630 M2 / gの材料であり、表面化学、吸収、その他の分野で大きな応用可能性を秘めています。しかし、固有グラフェンの表面は平らで大きなπ結合構造であり、かなりの程度の化学的慣性と疎水性を持ち、積み重ねと凝集が容易であり、グラフェンの性能を助長しません。

上記の問題を解決し、アプリケーションのニーズを満たすために、学者はグラフェンに基づいて他のコンポーネントと構造を追加し、グラフェンを機能させる新しいクラスの新しい材料を形成しました。それらは、異なる特性を持ちながら、グラフェンの基本的な特性のほとんどを維持します。固有グラフェンの新しい特性。さまざまな修飾方法の導入により、機能性グラフェンは実際のニーズに合わせて徐々に合理的に設計することができ、その応用の可能性は徐々に開発されてきました。近年、その研究は急速に発展しています！

この論文は、機能性グラフェンの最新の進歩をレビューします。まず、化学構造に応じて、共有結合と非共有結合の調製方法について説明します。第二に、特定の応用分野に応じて、近年の機能性グラフェンの最新の研究結果をまとめたものです。

1、準備方法

機能性グラフェンはグラフェンに由来します。過去10年ほどの間、グラフェンの製造方法は継続的に開発され、図1、2に示すように、化学蒸着に代表されるグラフェン薄膜とレドックスに代表されるグラフェン粉末が徐々に形成されています。結晶品質、官能基含有量の減少、および固有の半導体による電子特性。後者は、特定の酸素含有官能基を含むグラフェン表面と緩い構造を特徴とします。それは、より大きな比表面積の性能を助長し、大量生産することができます。同様に、官能化グラフェンの調製も、原料として固有グラフェンと酸化グラフェンに基づいています。

1.1グラフェンの共有結合機能

固有グラフェン表面は完全にSP2炭素原子で構成されています。これは非常に安定した構造であり、通常の状況下でグラフェンに強い化学的慣性を与えます。同時に、この構造により、グラフェン間の積み重ねと凝集が容易になり、疎水性の性質により、グラフェンが水などの溶媒に分散しにくくなり、アプリケーションでのグラフェンの操作性が低下します。

グラフェンの共有結合性は、この安定した構造を破壊するように設計されているため、グラフェンの表面活性は溶媒に容易に分散し、吸着や平面π結合構造の破壊などの用途での役割にも役立ちます。共有結合的に機能するグラフェンの導電率と熱伝導率は、一般に、固有のグラフェンよりも大幅に低くなっています。

1.1.1有機小分子の機能的使用

固有のグラフェンは化学的に不活性ですが、そのπ結合は強い化学条件下で特定の種類の化学変化を受ける可能性もあります。カーボンナノ粒子Guandengと同様に、グラフェンのSP2炭素構造は、ジアゾニウム塩などのフリーラジカル試薬と直接反応することができます。適切な反応マトリックスを選択することにより、図3に示すように、さまざまなタイプのグラフェンの表面修飾に必要な官能基を実現できます。さらに、固有グラフェンはジエン体と付加環化反応を起こし、SP2炭素結合を開きます。機能的な製品を生産します。このように、窒素などのヘテロ原子を含む複雑な環系をグラフェンに簡単に導入して、さまざまな応用分野で役割を果たすことができます。これは、そのカーボンGuandengと一致しています。

Xu etal。アセチルアセトンの活性炭原子を使用して、還元剤としてのアセチレノンおよび酸化グラフェンと反応しました。ワンステップ反応では、還元と官能化の両方が同時に達成され、機能性グラフェンが表面に高度に配位したアセチルアセトン単位で得られました。このグラフェンは、水などのさまざまな溶媒に分散できるだけでなく、CO2 +およびCd2 +プラズマに対する強力な吸着能力も備えています。

1.1.2ポリマーの共有結合グラフト

有機小分子に加えて、多くのポリマーまたはその前駆体も同様の方法でグラフェンの表面に付着させることができます。 Fang etal。アリール基をグラフェン表面のジアゾニウム塩反応と結合させた後、フリーラジカル重合を行い、ジアゾニウム塩によって生成されたフリーラジカルを反応の開始剤として直接使用し、グラフェンをの表面に結合させました。ポリスチレン。ポリマー接続はグラフェンシートを効果的に分離し、凝集を回避します。同時に、グラフェンの作用により、ポリマーはよく配置された膜を形成します。

同様に、多くのポリマー前駆体の重合は、酸化グラフェンの懸濁液中で行うことができ、酸化グラフェンは、グラフェン自体の特性だけでなく、ポリマーの架橋において自然に役割を果たします。遊び、ポリマー複合体の全体的な性能もさまざまな程度に改善されました。

自己重合に加えて、ポリマーは鎖末端で活性官能基を使用して酸化グラフェンの表面に接続することもできます。これは、さまざまなグラフト化能力など、その場での重合のいくつかの欠点を補います。 CA Moeneの表面のポリマー。、グラフェンの表面で重合できないポリマーを含みます。 Yu etal。 P3HT分子を化学反応によってGO上のヒドロキシル基と接続し、これらの導電性分岐鎖を介してグラフェンの電気的特性をピークにします。

グラフェンとポリマーの相互接続の最大の特徴の1つは、グラフェンとポリマーが互いに容易に架橋され、グリッド状の構造を形成することです。さらに、グラフェンは比較的豊富な界面活性剤基のため、少量の質量しか必要としません。画分、ポリマーの保持に大きな変化をもたらすことができます。多くのグラフェンポリマー複合体は、溶液中でゲル状態を示し、固体を形成できる複合体の場合、多くの場合、物理的特性の大幅な変化を伴います。たとえば、グラフェンポリビニルアルコールシステムでは、酸化グラフェンの1イットリウムだけがポリエチレンの機械的特性を大幅に向上させることができ、引張強度と弾性率はそれぞれ88イットリウムと150イットリウム増加し、その共有結合接続により、破壊伸び率にも一定の増加があります。

1.2グラフェンの非共有結合修飾

官能基化グラフェンの実際のアプリケーションでは、通常、グラフェンの分散を改善し、過度の凝集を回避し、グラフェンの固有の導電性と熱伝導性を維持する必要がありますが、共有結合の修飾によりグラフェンが生成されます。車のジャンクションの破壊、これら2つの要件を完全に満たすのは難しいため、非共有結合修飾法が広く注目されています。

1.2.1ナノ粒子の負荷の変更

比表面積の大きい材料であるグラフェンは、表面吸着により優れた特性を発揮することが証明されているさまざまな粒子と容易に組み合わせることができます。ここでの典型的な粒子には、AgやFe3O4などの金属または酸化物のナノ粒子が含まれます。これらは通常、酸化グラフェンの表面の官能基に直接接続されているか、安定剤のクラスを介して固有グラフェンの表面に非共有結合しています。図6に示すように、加熱後も、これらのナノ粒子はグラフェンの表面にしっかりと結合しています。

ヒドロキシルとグラフェンの共有結合に加えて、ポリビニルアルコールも水素結合と酸化グラフェンの典型的な例です。適切な量のポリビニルアルコールを添加すると、酸化グラフェン錠剤を接続して複雑なネットワークを形成できます。構造、水溶液中でゲルを形成します。

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