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固體所等在多維石墨烯基復合材料及性能研究

2019年06月01日 栏目:生活

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  近期,中科院合肥物质科学研究院固体物理研究所纳米中心研究人员与安徽大学合作,在二维石墨烯基复合薄膜和三维石墨烯基复合物的制备及性能研究上取得了新进展:利用一种新兴的方法—喷墨印刷法成功制备了石墨烯和多金属氧酸盐的复合薄膜,并发现复合薄膜可用作生物传感器;利用水热的方法制备了三维结构的还原石墨烯/α-Fe2O3复合水凝胶,首次发现三维结构的石墨烯基复合材料有着优异的微波吸收性能。

  石墨烯(單原子層石墨)自從2004年發現以來,引起了人們的廣泛關注,并被用在場效應晶體管、超級電容器、鋰離子電池、氣體傳感器和化學傳感器等領域。二維石墨烯基復合薄膜、三維結構石墨烯和三維結構石墨烯基復合物是構筑石墨烯微觀材料進行宏觀應用的一個有效途徑。噴墨印刷法是一種新興的方法,它將納米材料制成一種分散均勻的可溶性溶液,代替噴墨印刷的墨水,利用商用的噴墨打印機噴墨到各種基底上形成薄膜。氧化石墨烯水溶性非常好,完全可以作為噴墨印刷的墨水。研究人員采用商用的epsonR230打印機,以氧化石墨烯和多金屬氧酸鹽為墨水,交替噴墨到各種基底上(硅、石英玻璃、ITO玻璃、云母片等),形成氧化石墨烯/多金屬氧酸鹽(GO/PTA)n復合薄膜。之后,在紫外光的照射下,利用多金屬氧酸鹽的還原性將氧化石墨烯原位還原,從而獲得了還原的氧化石墨烯/多金屬氧酸鹽(rGO/PTA)n復合薄膜,其制備過程如下圖所示:

  图1层层喷墨印刷法制备(rGO/PTA)n复合多层膜的过程示意图

  研究人员进一步发现此复合薄膜对多巴胺有着非常良好的电催化氧化特性,可作为潜在的电化学生物传感器。相关研究成果发表在英国皇家化学会的期刊《物理化学化学物理》上(PhysicalChemistryChemicalPhysics,2012,14,12757–12763)。并且,文章还得到了当时的高度评价,并以GrapheneprinterhelpsfightParkinson’sdisease为题在《化学世界》(Chemistryworld)上进行报道。

  除此之外,研究人员还发现石墨烯在还原过程中,由于非常强的π-π作用力,可以将其组装成三维结构的水凝胶。于是,研究人员以共沉淀法制备的Fe3O4和氧化的石墨烯溶液为前驱体,通过水热的方法成功的制备了三维结构的还原石墨烯/α-Fe2O3复合水凝胶。研究结果表明,复合水凝胶具有三维络状的孔洞结构,尺寸为纳米的α-Fe2O3纳米粒子均匀的分布在石墨烯片层上。鉴于三维结构的石墨烯基复合材料的微波吸收性能还未见报道,研究人员又详细研究了此复合水凝胶的微波吸收性能(如图2所示)。相对于纯的石墨烯水凝胶来说,复合水凝胶不但具有较低的反射损耗,还具有较宽的吸收频带。在频率为7.12千兆赫兹时,复合水凝胶达到反射损耗-33.5dB;在厚度仅为3毫米时达到宽的低于-10dB(90%的电磁波被吸收)的吸收带宽-6.4千兆赫兹(从10.8到17.2千兆赫兹)。其优异的吸收性能可能是由于阻抗匹配的原因。纯的石墨烯水凝胶具有较高的介电常数,太高的介电常数对阻抗匹配是有害的,它会导致很多电磁波被反射而没有被吸收。而α-Fe2O3是一种半导体材料,它与石墨烯复合时必将影响石墨烯的导电率,从而降低介电常数,达到阻抗匹配的效果。此外,三维孔洞结构对微波的吸收也起到重要的作用。相关研究成果已发表在国际核心期刊《材料化学A》上(em.A,2013,1,8547)。

  图2rGO/a-Fe2O3复合水凝胶的SEM图和不同厚度下的反射损耗图

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