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石墨烯氣凝膠是具有大比表面積、密度輕、良好導電性和優異機械性能的三維多孔結構的新型材料。在超級電容、水處理、傳感器、熱界面材料等領域有著重要的應用前景。石墨烯氣凝膠由石墨烯構成,二維石墨烯是由碳原子按照蜂窩結構連接在一起形成的二維材料,如圖1-1所示。二維石墨烯在光學、電學、力學等方面具有優異的性質。但在實際應用中,二維石墨烯為層狀堆疊結構,片層間存在較大范德華力,使二維石墨烯團聚,大大降低了石墨烯與溶液的接觸面積,導致石墨烯無法發揮其最大效力,極大的限制了其實際應用。因此,可將二維石墨烯構建成三維網絡結構,形成的三維石墨烯氣凝膠不僅保留二維石墨烯優異性能,而且可以避免層間過度堆疊,還增大了比表面積和孔隙率,如圖1-2所示。三維石墨烯氣凝膠具有豐富的多孔性、優異的柔韌性和靈活的層壓性等優點,被應用于電子皮膚、傳感器等方面。

石墨烯氣凝膠主要是由二維石墨烯通過原位組裝法、模板法、化學交聯法和3D打印等方法制成,但經過研究這些傳統的石墨烯氣凝膠的制備方法都存在著一些不同的缺陷。因此需要一種更合適的材料處理技術對石墨烯氣凝膠材料進行制備。而等離子體是一種具有一定能量分布的電子、離子和中性粒子的電離氣態物質,它能夠與材料表面發生作用,將自身的能量傳遞給材料表面的分子和原子,產生一系列的物理和化學過程,并且能夠根據材料不同的物理和化學結構,有選擇性的分解和重組化學鍵,在化學鍵的斷裂與重組過程中可能會引入一些新的官能團,在這些反應過程的作用下,材料的表面形貌和物理、化學形貌都有可能會發生改變,從而改變材料的表面性能,是一種非常優異的材料處理技術。

等離子體概述

自然界中物質多以固、液、氣和三態存在,但宇宙中以等離子體形式存在的物質居多。物質的這幾種形態可發生轉換,給固態物質提供能量可使粒子間距增大,從而可轉化成液態。當持續提供能量時,液態物質即會轉變成氣態。如果對氣態物質施加足夠的電能,氣體分子核外的電子在電場的作用下轉化為自由電子,并被電場激發,這些自由電子移動,與氣態物質的分子、原子碰撞并電離,產生活性粒子,如離子和電子,這種帶正電和負電粒子的混合物被稱為等離子體。

等離子體中存在著大量且種類繁多的活性粒子,與通常的化學反應相比,等離子體技術具有溫度低、化學活性高、可控性好、表面處理操作簡單、成本低廉、無廢棄物及無污染等顯著優點。該技術利用氣體放電產生的等離子體中含有的具有一定能量分布的電子、離子和中性粒子等活性粒子與材料表面發生作用,將自身的能量傳遞給材料表面的分子和原子,產生一系列的物理和化學過程,且能夠根據材料不同的物理和化學結構,有選擇性的分解和重組化學鍵,在化學鍵的斷裂與重組過程中可能會引入一些新的官能團,在這些反應過程的作用下,材料的表面形貌和物理、化學形貌都有可能會發生改變,賦予被處理材料獨特的功能性。

等離子處理改善石墨烯氣凝膠的親水性

氧等離子體處理石墨烯氣凝膠

氧等離子體處理過程中，高能氧離子與石墨烯氣凝膠表面發生反應，引入大量的含氧官能團，如羥基（-OH）、羧基（-COOH）和羰基（-C=O）等。這些官能團增加了材料表面的極性，從而提高了親水性。由于增加了含氧官能團原本性質不活躍的石墨烯變成性質活躍的氧化石墨烯,表現在物理方面就是氧化石墨烯相比石墨烯具有良好的溶液分散性、良好的化學活性、絕緣性以及熒光效應等。