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石墨烯是一種由單層碳原子以六邊形晶格排列構(gòu)成的二維材料,其獨特結(jié)構(gòu)賦予它一系列突破性的物理化學(xué)特性。石墨烯本身雖然有較為優(yōu)良的結(jié)構(gòu),但其表面基本沒有親水基團,且其密度極小、比表面積大,從而導(dǎo)致石墨烯親水性和水分散性較差。為改善石墨烯在液體中的分散狀態(tài)，需要對其表面進行改性處理。目前對石墨烯改性的方法主要以等離子體改性和化學(xué)試劑改性為主,改變石墨烯的物理結(jié)構(gòu)或?qū)崿F(xiàn)元素?fù)诫s,對其相關(guān)性能做出調(diào)控,以滿足工程應(yīng)用的要求。

等離子體處理

等離子體是物質(zhì)的一種狀態(tài),與固體、液體以及氣體類似,也被稱作物質(zhì)的第四態(tài)。當(dāng)氣體受到充分的能量作用時,其會轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子狀態(tài)。等離子體中的活性成分包括:高速運動的電子、激活的中子、以及自由基、離子化原子分子等。未經(jīng)反應(yīng)的原子分子,其電性特征表現(xiàn)為完全中性。由于等離子體中的高活性帶電粒子,使得等離子體處理成為改變材料表面特征的一種有效方法。此外,這種處理方式過程控制較為簡單,環(huán)保經(jīng)濟。通過等離子體處理可以引入新的官能團,使得材料有更好的表面活性。

氧等離子體處理通過引入新的含氧官能團,可以將材料化學(xué)功能化。以前許多學(xué)者的研究表明,通過氧等離子處理可以改善各種碳材料(如SWCNT、MWCNT、GNPs等)的分散性與電催化活性。氧原子與碳原子的反應(yīng)后,通常會引入新的含氧官能團,并且通過蝕刻反應(yīng)去除材料最外層的碳原子。

通過低溫等離子體處理,物體表面可以形成三種基團:C=O羰基、?COOH羧基和?OH羥基。這些特殊的化合物可以提供良好的親水性,并且在粘合和涂層方面發(fā)揮著重要的作用。等離子體處理的示意圖如圖1所示。

圖1 等離子體處理過程

等離子體處理前后石墨烯在水中的分散性對比

為了表征GNPs的表面活性,將等離子體處理前后的GNPs分別加入水中,以觀察其分散情況。GNPs等離子體處理前后在水中的分散性如圖2所示。圖2(a)表示未處理的GNPs在水中的分散性,從圖中可以看出GNPs漂浮在水面,不易分散在水中。圖2(b)表示等離子體處理后的GNPs,在水中的分散性得到了極大的改善。等離子處理的GNPs的分散性的改善可以歸因于O2離子轟擊使GNPs分子鍵斷裂,并且通過功能化修飾引入了豐富的含氧官能團,如羥基(-OH)、羧基(-COOH)、羰基(C=O)以及環(huán)氧基(C-O-C)等。這些基團改變了碳原子的雜化狀態(tài),輕微扭曲了石墨烯的晶格結(jié)構(gòu),使其產(chǎn)生畸變,性能也發(fā)生了顯著變化。羥基和羧基等含氧基團能夠與水分子形成氫鍵,這種作用機制使石墨烯在水相介質(zhì)中表現(xiàn)出良好的分散性,能夠形成長期穩(wěn)定的膠體溶液。

圖2 石墨烯等離子體處理前后在水中的分散性