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石墨烯组装体复合材料的4大应用前景



基于二维石墨烯构建具有特定三维结构的石墨烯组装体,进而制备性能优异的功能器件对于拓展石墨烯的宏观应用具有重要意义。石墨烯组装体及其复合材料具备石墨烯固有的性质,在能量储存、催化反应、环境保护及柔性/可伸缩导电材料等方面具有广阔的应用前景。

                                                                                    1 锂离子电池


现代电子设备诸如移动通讯设备和电动汽车等蓬勃发展,这就需要寻找高性能电池。锂离子电池具有能量密度高、使用寿命长、质量轻等优势,有很好的应用前景。电极材料的选择对锂离子电池的循环寿命、比容量等性能起决定作用。石墨烯的导电性能强、化学稳定性好,具有较大的比表面积等,因此被广泛应用于锂离子电池。石墨烯在使用过程中也存在一些缺点,比如实际容量低于理论容量等,限制了锂离子电池高能量的输出。与石墨烯相比,组装体石墨烯表面积更大、导电率更高,也可作为电极材料之一。为了优化锂离子电池的性能,石墨烯组装体复合材料应运而生。


石墨烯使用过程中的团聚现象,纳米粒子如Sn、Bi2O3 等在用作锂离子电池阳极材料时产生的体积变化等,均会导致电子和离子迁移缓慢,阻碍了复合材料锂储存性能的提升。石墨烯组装体的多孔结构和褶皱表面一方面有利于离子扩散和电子传输,增加复合材料的导电率;另一方面可以防止石墨烯的聚集,缓解纳米粒子的体积膨胀。N掺杂石墨烯可以提高复合材料的导电性,增强石墨烯材料的润湿性,并提供足够的处理位点。石墨烯晶格中S元素和N元素的双重掺杂发挥协同效应,产生更多的缺陷。这些因素改善了石墨烯阳极的电化学性能,进而提升了锂离子电池的性能。

           2 催化剂 

氧化还原反应的快慢关乎燃料电池性能的高低。而氧化还原反应性能受许多因素的影响,如催化剂活性位点的密度、催化剂层的比表面积、电导率等,其中两个最为关键的因素是表面积和孔结构以及催化活性位点的种类。由于Pt催化剂具有高电流密度、独特氧化还原活性等性能,成为氧化还原反应的优势材料。但Pt催化剂在使用过程中存在一些问题,如生产成本高、储量有限等,不利于大规模应用。寻找新的催化剂材料来提升氧化还原反应性能显得尤为重要。石墨烯本身不仅能够作为催化剂,还能作为其它催化剂的载体。石墨烯组装体的多孔贯通网状结构不仅有益于离子扩散并减小传质动力,还可为电荷的快速转移和传导提供独特的导电通路。因此基于石墨烯组装体及其复合材料的催化剂具有独特的结构和性能,已用于催化醇类氧化、肼类氧化、氧的还原、过氧化、有机偶联反应等。


杂原子掺杂有助于变换石墨烯的电子能带结构,以此增强复合材料的电催化活性。石墨烯掺杂B原子可以加速氧的吸附,该复合材料对氧化还原反应显示出奇特的电催化活性。N和S共同掺杂在石墨烯晶格中,能够产生大量的缺陷。石墨烯组装体具有高电导率和高比表面积,这有助于电荷快速穿过石墨烯结合点并提供更多的活性位点用于催化反应。

            3 传感器

石墨烯组装体具有高的比表面积,优异的电子传导性能和特殊的微观结构,可有效提高活性分子固载量和电传导性能,在超灵敏化学、生物等传感器构筑中具有潜在应用价值。


电化学传感器

电化学传感器由于制造成本低、操作简便等原因,常用来检测各种生物分析物。然而,电化学传感器的性能受电化学催化剂催化能力的影响。石墨烯及石墨烯组装体由于比表面积大、导电率好,在制造电化学催化剂方面发挥了重要的作用。


杂原子掺杂到石墨烯中,产生了丰富的活性位点,改善了复合材料的电催化活性。同时,增强了电极的敏感性能。石墨烯组装体比表面积大,既可以提供快速的电子通道,又可以阻止Fe3O4 等纳米粒子的聚集,有利于感应过程的发生。掺杂元素与石墨烯之间的协同效应等,最终提高了石墨烯的导电率,增强了复合材料的电化学传感性能。


生物传感器

石墨烯不但导热性能好、电子迁移率高,而且兼具生物相容性。因此科学家们研究了石墨烯作为生物传感器的应用。改性后的石墨烯、石墨烯组装体制备的复合材料在生物传感器中的应用也显示出优越的性能。


有研究人员利用超声处理等方法制备出聚苯胺/GO复合材料,用于DNA杂化的检测。他们采用控制复合比例和超声振荡时间获取各种形态的复合材料。分析表明,其杂交效率大、表面密度高。该材料用于生物传感器,将具有低检测限、宽线性范围等一系列优点。

           4 环境保护

目前,环境污染日益严重,如何移除水中对人体有害物质,如有机物或泄漏的石油产品等已成为科学界研究的热点。对石墨烯组装体进行改性或制备复合材料,可有效调控亲/疏水性等性质,实现对环境污染物的去除,并表现出吸附量大、性能稳定、可重复使用等优点。有研究人员制备出疏水性三维多孔rGO薄膜,这种材料可吸附大于自身重量37倍的机油以及大于自身重量26倍的有机溶剂,显示出可作为选择性吸附剂的巨大潜力。此外,该rGO薄膜十分稳定,可通过己烷去除吸附油层后循环使用。高吸附量和长循环寿命(至少10个周期)使得该三维多孔rGO薄膜在去除有机物方面成为一种立项材料,尤其适用于清理原油泄漏。

除具备二维石墨烯的优异特性外,石墨烯组装体材料具有层压式或多孔结构,在能量存储、催化、环境修复、传感器和超级电容器等方面展现了独特的性能,并有望作为柔性、可伸缩材料使用。