介紹
在最初階段，石墨烯大多是被物理學(xué)家所關(guān)注。由于生產(chǎn)足量的高質(zhì)量石墨烯很困難，研究人員便采用非常簡(jiǎn)單的幾何形狀中膠帶剝離的石墨烯單層來研究這種新材料的出色電子性能。隨后在變革的十年中，石墨烯引起了公眾的廣泛關(guān)注，成為網(wǎng)絡(luò)社交媒體最受“追隨”的材料，并被普遍認(rèn)為是一種新型的神奇材料。1
然而，阻礙石墨烯進(jìn)一步被廣泛應(yīng)用的主要問題仍然存在，包括可加工性差以及在其電子學(xué)結(jié)構(gòu)中缺乏帶隙。
最近，化學(xué)家們已經(jīng)學(xué)會(huì)了如何通過增強(qiáng)其可加工性和多功能性來發(fā)揮這種獨(dú)特材料的作用，并開發(fā)了不同的功能化和處理策略。從廉價(jià)石墨開始大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯已經(jīng)成為可能，2 在金屬基底上或碳化硅上進(jìn)行高質(zhì)量石墨烯的生長(zhǎng)也已經(jīng)得到優(yōu)化，并且已在商業(yè)或原型級(jí)別上展現(xiàn)出了在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。3,4
我們之前的工作描述了石墨烯特有的二維(2D)形狀如何賦予它獨(dú)特的性質(zhì)5 ，例如它與真空、液體和固相薄膜中的有機(jī)分子之間的相互作用。6
使用化學(xué)方法，可以有效地將這種難溶性并幾乎是化學(xué)惰性的材料定制成各種形式，包括從簡(jiǎn)單的可溶性片材，到其中的2D石墨烯片材被組裝成三維(3D)散裝材料或泡沫的分層結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于電子、復(fù)合材料、能量?jī)?chǔ)存或催化中。
溶液中單片水平的石墨烯化學(xué)
處理和定制石墨烯的最簡(jiǎn)單方法是在溶液中使用單片材。大規(guī)模的生產(chǎn)可使用“溫和的”方法，即不損害石墨烯晶格的非共價(jià)超分子相互作用7–9，也可使用“苛刻的”化學(xué)方法，即氧化成氧化石墨烯(GO)并隨后對(duì)其進(jìn)行還原，但這將不可避免地導(dǎo)致片材表面產(chǎn)生化學(xué)損傷(圖1)。10–12
圖1.使用共價(jià)或非共價(jià)(超分子的)的不同方法進(jìn)行石墨剝離和石墨烯功能化的方法示意圖
氧化石墨烯(Aldrich貨號(hào) 763705、777676、794341等)長(zhǎng)期以來一直是石墨烯家族中不受重視的部分，因?yàn)樗鼈兊幕瘜W(xué)缺陷使其喪失了石墨烯許多獨(dú)特的物理性質(zhì)。 然而，這些特征卻又使得氧化石墨烯具有高度可加工性、多功能性和水溶性，使其可使用熱學(xué)、化學(xué)或電化學(xué)還原來重新建立電導(dǎo)性，但仍然存在的晶格損傷也使得還原性石墨烯氧化物(RGO)(Aldrich貨號(hào) 777684)的性能比石墨烯差得多。盡管如此，不同形式的GO和RGO也被成功用于一些生產(chǎn)和應(yīng)用中，13–20 s其中的一些在電子學(xué)和透明導(dǎo)體中的應(yīng)用進(jìn)展甚至比石墨烯的最前沿應(yīng)用還要更接近商業(yè)化。
通過石墨(Aldrich貨號(hào)496588、496596等)的剝離以產(chǎn)生石墨烯是發(fā)生在納米和中等規(guī)模上的復(fù)雜現(xiàn)象。與其他增溶過程類似，該過程依賴于化學(xué)、靜電和范德華相互作用之間的復(fù)雜競(jìng)爭(zhēng)以及微尺度上的流體動(dòng)力學(xué)。最近，我們對(duì)使用機(jī)械、化學(xué)和電化學(xué)方法所產(chǎn)生的剝離石墨烯進(jìn)行了系統(tǒng)和比較性的研究。22 在三種方法中，化學(xué)氧化所產(chǎn)生的氧化石墨烯被認(rèn)為是一種非常有效但具有破壞性的石墨剝離方法。電化學(xué)氧化使用電場(chǎng)來驅(qū)動(dòng)石墨中的分子插入，使得大量石墨快速剝離并產(chǎn)生深度破壞，但也導(dǎo)致所得石墨烯晶格的損壞。
基于有機(jī)溶劑中超聲作用的超分子剝離法可產(chǎn)生最佳質(zhì)量的石墨烯，但由于超聲處理的高能量輸入要求，會(huì)獲得具有低橫向尺寸(通常<1 μm)的片材。從這三種方法觀察到的差異表明一方面剝離的速度和效率之間會(huì)得到平衡，另一方面可以保持材料的質(zhì)量。22
一旦在溶液中發(fā)生剝離，石墨烯片材會(huì)通過一系列的分子或納米物質(zhì)發(fā)生化學(xué)性修飾(共價(jià)及非共價(jià)的)，以產(chǎn)生全新的具有特殊屬性的定制化石墨烯材料。23 石墨烯高度偶聯(lián)的sp2碳結(jié)構(gòu)使其可以與多環(huán)芳烴族有機(jī)材料產(chǎn)生強(qiáng)的親和力，如具有擴(kuò)展π電子離域特性的有機(jī)半導(dǎo)體或工業(yè)染料。與石墨烯不同，這些分子具有極佳的可加工性能以及可調(diào)節(jié)的HOMO, LUMO和帶隙。6
對(duì)于親和性的研究是為了可以產(chǎn)生在水或有機(jī)溶劑中具有增強(qiáng)的溶解性、在聚合物復(fù)合材料中具有良好分散性或是具有新型光電子功能的石墨烯有機(jī)雜化物。雖然目前很難對(duì)所有基于石墨烯的雜化系統(tǒng)進(jìn)行客觀詳盡的綜述，但比較有趣的例子包括基于有機(jī)材料的雜化物、金屬納米粒子和生物分子，甚至是DNA。最常見的成分包括苝(Aldrich貨號(hào)394475等)、9,24,25 芘(Aldrich貨號(hào) 571245等)、8,26-29 卟啉(Aldrich貨號(hào)252921等)、30–34 富勒烯(Aldrich貨號(hào)572500等)、35 低聚噻吩(Aldrich貨號(hào)691631等)36,37、聚噻吩(Aldrich貨號(hào) 6989977等)38,39 、金屬納米顆粒40,41及其他生物成分。
有幾種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突谌軇┑谋砻鎻埩蛉芙舛葏?shù)來預(yù)測(cè)石墨烯在不同溶劑中的分散。然而，從分子水平上還不清楚為什么一些分子與石墨烯可更有效地發(fā)生相互作用。我們進(jìn)行了一項(xiàng)系統(tǒng)研究來比較幾種芘磺酸鈉鹽(Sigma貨號(hào)82657、37920和82658，以及Aldrich貨號(hào)H1529)、水溶性芘成分作為剝離劑用于制備穩(wěn)定的水溶液。8這些pH敏感的衍生物不僅對(duì)基礎(chǔ)研究有用，而且由于其較高的光致發(fā)光量子產(chǎn)率、極佳的水溶性和無毒性，也更適用于實(shí)際的應(yīng)用。他們?cè)跓晒夤P、鉛筆和肥皂中都有大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。
我們研究了一系列具有越來越多極性基團(tuán)的四種芘衍生物，并發(fā)現(xiàn)它們?nèi)靠蓪?duì)石墨進(jìn)行剝離并在水中產(chǎn)生穩(wěn)定的石墨烯懸浮液。單層石墨片材的一些特定區(qū)域覆蓋了一層芘分子。26 懸浮石墨烯的總濃度主要取決于疏水性芘核心上極性基團(tuán)的數(shù)量。分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明芘衍生物與石墨烯相互作用中的一項(xiàng)關(guān)鍵因素涉及溶劑分子的薄層，并限于芘分子和石墨烯表面之間。兩親性苯乙烯磺酸分子在接近表面時(shí)會(huì)改變其取向，以最有效的方式滑入該層中，從而形成具有強(qiáng)偶極的不對(duì)稱形狀分子。模擬表明分子偶極本身并不重要，但它有利于分子“滑動(dòng)”到溶劑層中，導(dǎo)致位于芘染料的芳核和石墨烯基底之間的水分子橫向位移。
納米尺度的石墨烯片材上有機(jī)分子的相互作用不僅對(duì)在基礎(chǔ)層面上更好理解和改善石墨烯剝離具有幫助，也對(duì)于更為高級(jí)的應(yīng)用具有重要意義。因此，基于芘并采用一種成熟的工業(yè)染料進(jìn)行石墨烯剝離方法也已經(jīng)被擴(kuò)展至用于加工聚合物中的石墨烯。.45 相同的芘磺酸對(duì)于其他二維材料如氮化硼(Aldrich貨號(hào)255475和790532)、二硫化鎢(Aldrich貨號(hào)243639和790583)、硫化鉬(Aldrich貨號(hào) 234842和69860)、硒化物和碲化物也展現(xiàn)出了相似的增溶能力(圖2)。這些材料可基于2D材料不同層用于光電探測(cè)器的制造。44
圖2. A) 用于超分子石墨剝離的四種芘衍生物化學(xué)式比較. B)使用芘衍生物生成的二維晶體分散光學(xué)圖像(編號(hào)1、2、3、4與(A)中展示的有機(jī)染料的磺酸基團(tuán)標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng))8,44
在基于超分子相互作用進(jìn)行非共價(jià)修飾的同時(shí)，世界范圍內(nèi)也提出了一些將功能性有機(jī)材料共價(jià)結(jié)合到石墨烯和氧化石墨烯上的不同合成方法。開發(fā)更高效和可控的合成方案來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題。考慮到石墨烯的分散性差和固有的惰性化學(xué)結(jié)構(gòu)，它的反應(yīng)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氧化石墨烯，而且大多數(shù)主要依賴于自由基或親雙烯體與C=C鍵之間形成的共價(jià)鍵。46,47相反，氧化石墨烯可進(jìn)行典型的羧化、羰基化、環(huán)氧化和羥基化反應(yīng)，因而比石墨烯更容易進(jìn)行修飾。氧化石墨烯官能化的最常見合成方法是通過對(duì)羧基部分進(jìn)行活化，隨后與親核基團(tuán)(即胺37))發(fā)生反應(yīng)。一種最近提出的氧化石墨烯官能化替代方案依賴于由MW輻射所促進(jìn)的表面氧代基團(tuán)的甲硅烷基化。該方法可用于在氧化石墨烯片材表面上嫁接三烷氧基硅烷封端的π-偶聯(lián)發(fā)色基團(tuán)。36
一些作者研究了功能性分子材料的性質(zhì)如何影響石墨烯在物理?yè)诫s48–50 或共價(jià)移植后的行為。37,51 同時(shí)，關(guān)于石墨烯的存在如何影響分子性質(zhì)的問題依然存在。眾所周知，石墨烯和氧化石墨烯可對(duì)發(fā)光分子的光電子發(fā)射實(shí)現(xiàn)強(qiáng)淬滅，52–54 但是這種相互作用受到石墨烯有機(jī)合成體系納米尺度結(jié)構(gòu)的影響又有多大？通過在納米尺度上設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可以調(diào)整這種相互作用。例如，當(dāng)使用柔性烷基接頭將寡聚噻吩染料連接至氧化石墨烯后，可觀察到較低的淬滅(約16%)，37 而用較短的連接體則會(huì)獲得較強(qiáng)的淬滅(約60%)，51 并且當(dāng)把氧化石墨烯沉積在相同的寡聚噻吩(Aldrich貨號(hào)547905和594687)52的自組裝單層上時(shí)將會(huì)發(fā)生完全的淬滅(見圖3A)。
圖3. A) 氧化石墨烯對(duì)SiOx上寡聚噻吩分子薄層上熒光的淬滅；52 B) 通過使用寡聚噻吩染料進(jìn)行氧化石墨烯官能化并采用柔性接頭時(shí)獲取的熒光氧化石墨烯片材；37C) GO-寡聚噻吩共價(jià)復(fù)合物在EtOH中性pH下，通過HCl的酸化以及在正常光(頂部)和紫外照射(底部)下用三乙胺(TEA)(從左至右)進(jìn)行重新中和，而顯示出的可逆發(fā)光轉(zhuǎn)換。37
除了熒光淬滅之外，相同的寡聚噻吩-GO復(fù)合物還被用來研究如何將分子束縛在氧化石墨烯中來影響其化學(xué)物理性質(zhì)。分子在溶劑中分離時(shí)會(huì)表現(xiàn)出不同于束縛在大量宏觀表面上的性質(zhì)。然而，與石墨烯或氧化石墨烯所連接的分子則情況有所不同，因?yàn)槎S片材的尺寸遠(yuǎn)大于常見的分子。實(shí)際上，這與在常規(guī)的宏觀表面附著更為相似，但又同時(shí)可溶于溶液中。5 我們使用pH敏感的熒光發(fā)光來檢測(cè)氧化石墨烯與三苯噻吩染料的相互作用，以確定當(dāng)分子在游離溶液或束縛在氧化石墨烯上時(shí)將會(huì)發(fā)生怎么的熒光變化(圖3B-C)。我們發(fā)現(xiàn)與氧化石墨烯的共價(jià)連接并不會(huì)干擾染料的吸收和發(fā)光性質(zhì)，特別是其pH敏感性。
從溶液到真實(shí)的材料
一旦石墨烯(或化學(xué)修飾的石墨烯)的二維片材已經(jīng)在溶液中被處理并官能化(通過利用超分子相互作用或通過氧化石墨烯)，則可以很容易地將它們沉積在具有微/納電極的硅基片上以制作如晶體管或傳感器的器件。利用石墨烯和有機(jī)材料之間的高加工性和可輕松轉(zhuǎn)移電荷的優(yōu)勢(shì)，可制備具有可調(diào)滲流的器件，使其能夠?qū)GO的良好電荷遷移率與有機(jī)材料的半導(dǎo)體行為相結(jié)合。
最近發(fā)表的一些實(shí)例包括RGO /聚(3-己基噻吩)雙層18、石墨烯/苯基辛烷和石墨烯/花生酸雜合物，55以及石墨烯與高性能半導(dǎo)體聚合物的雜合如聚[N,N-9-雙(2-辛基十二烷基)-萘-1,4,5,8-雙(二甲酰亞胺)-2,6-二基]-alt-5,59-(2,29-二噻吩)]和(P(NDI2OD-T2))。56
石墨烯和有機(jī)物可以同時(shí)沉積形成厚雜合混合物，55,56或依次形成雙層。18
利用有機(jī)π-偶聯(lián)分子可剝離石墨的能力，8,55可使用在器件上進(jìn)行有機(jī)材料沉積相同的溶液中進(jìn)行石墨烯的剝離。或者，可以使用基于更“經(jīng)典”溶劑的非原位兩段法來剝離石墨并隨后與有機(jī)半導(dǎo)體進(jìn)行混合。56通過使用合適的溶劑并施加電場(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)在源極、漏極或電極之間進(jìn)行選擇性地片材沉積。57,58
在更復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)中進(jìn)行石墨烯處理
除了簡(jiǎn)單混合物或混有半導(dǎo)體聚合物的雙層之外，通過利用化學(xué)修飾的石墨烯而帶來的可加工性和調(diào)節(jié)性增強(qiáng)可實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。
多層的“三明治式”結(jié)構(gòu)可通過使用高質(zhì)量石墨烯的逐層(LbL)沉積來替換1-芘丁酸N-羥基琥珀酰亞胺的自組裝單層而實(shí)現(xiàn)工程化。由于石墨烯摻雜了芘，這種多層結(jié)構(gòu)與純石墨烯相比電導(dǎo)率增加了六個(gè)數(shù)量級(jí)。59
在一種類似的方法中，可以使用LbL產(chǎn)生氧化石墨烯的多層結(jié)構(gòu)來替換聚賴氨酸。在加熱到800 °C，氧化石墨烯將會(huì)被還原并摻雜聚賴氨酸，產(chǎn)生具有～488 F/cm3的超高體積電容和高達(dá)2,000 V/s優(yōu)異倍率的微型超級(jí)電容器。
具有二維多孔性的氧化石墨烯結(jié)構(gòu)可通過使用具有可變長(zhǎng)度接頭的共價(jià)官能化來獲得。例如，氧化石墨烯(GO)的對(duì)苯二甲胺插層反應(yīng)是一種制備柱狀石墨烯材料的簡(jiǎn)易便捷方法。60沿著石墨烯c-軸的這種限制系統(tǒng)的產(chǎn)生(共價(jià)“縫合”)，因?yàn)閷?duì)苯二甲胺(Aldrich貨號(hào)279633)與相鄰氧化石墨烯片材的環(huán)氧化物表面基團(tuán)之間的交聯(lián)過程，與原始氧化石墨烯相比可實(shí)現(xiàn)層間距離的顯著改變。氧化石墨烯層間距離的增加可使材料孔隙率增加，而比表面積比原始氧化石墨烯高出5倍。
相應(yīng)獲得的這種更粗粒的結(jié)構(gòu)，可形成經(jīng)溶劑剝離的的石墨烯片材和真空升華金屬錫薄層的多層。在Ar/H2中于300 °C退火后，錫層可分解成隔離的納米柱，作為電池中石墨烯的間隔物和鋰離子儲(chǔ)存池(圖4A)61。
這樣所形成的3D多層納米結(jié)構(gòu)可直接用作可充電鋰離子電池的陽(yáng)極材料，而不需要添加任何聚合物粘合劑或炭黑。電化學(xué)測(cè)量表明在5 A g–1的高電流密度下可具有非常高的可逆容量和出色的循環(huán)性能。這是一個(gè)說明如何通過將液體處理與如熱蒸發(fā)的真空技術(shù)相結(jié)合來獲得新結(jié)構(gòu)的一個(gè)很好的例子。
在另一個(gè)例子中，使用離子液體官能化氧化石墨烯片材作為形狀引導(dǎo)劑和間苯二酚/甲醛聚合物作為碳前體，獲得嵌入多孔碳(PC)中的高度均勻的氧化石墨烯三明治結(jié)構(gòu)。 獲得的PC/GO/PC多層三明治結(jié)構(gòu)顯示出優(yōu)異的倍率性能，在5 mV s–1 時(shí)可具有341 F g–1的高比電容，并且在沒有任何導(dǎo)電添加劑的35,000次循環(huán)下仍具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
石墨烯復(fù)合材料在溶液中或者在平坦基底上極薄層中產(chǎn)生的單層水平石墨烯復(fù)合材料主要用于電子應(yīng)用。當(dāng)擴(kuò)展到更大的規(guī)模時(shí)，可通過使用介觀模板來構(gòu)建更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，從而獲得大量宏觀的分層材料。
將復(fù)雜性增加至宏觀：用于能量?jī)?chǔ)存或催化的泡沫
通過對(duì)于氧化石墨烯的氧化、還原和化學(xué)官能化實(shí)驗(yàn)，不同類型的二維片材可以被處理，甚至可以直接在幾乎任何微米或納米多孔模板如金屬62,63、聚合物泡沫64、無機(jī)ZnO納米晶體65或乳液中的水有機(jī)液體界面上進(jìn)行生成。石66,67 墨烯可用于包裹或涂覆其他納米結(jié)構(gòu)68甚至是電極。58 相反，其表面可涂覆其他材料作為二維基材以支持導(dǎo)電性較差或堅(jiān)固性較差的材料。69,71
這些結(jié)構(gòu)通常在視覺上很漂亮(圖4-5)，但從技術(shù)角度來看也很有趣，因?yàn)樗鼈兛梢酝ㄟ^其他具有與石墨烯相協(xié)調(diào)和互補(bǔ)特性的材料實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的官能化。
圖4. A) 石墨烯/Sn納米柱納米結(jié)構(gòu)制備過程示意圖及相應(yīng)的SEM圖像；B) 合成RGO支持的Sn/C納米線纜的過程示意圖及相應(yīng)的SEM圖像。71
圖5. 使用 A) 金屬泡沫，B) 聚合泡沫或C-E) 液體乳液的石墨烯3D結(jié)構(gòu)模板
石墨烯具有出色的電學(xué)、光學(xué)、機(jī)械和熱學(xué)性能，但它也不是向媒體宣傳那樣擅長(zhǎng)一切。其他一些材料對(duì)于能源應(yīng)用具有更好的性能；如對(duì)于贗電容器電極來說，F(xiàn)e2O3具有很高的理論容量(1,007 mA h g–1)，比常用的石墨材料(372 mA h g–1)要好得多，是一種具有廣泛前景且低成本、含量豐富并且無毒的電極替代材料。 然而，由于其低導(dǎo)電性和較差的循環(huán)穩(wěn)定性，F(xiàn)e2O3電極的實(shí)際應(yīng)用也受到了限制。因此，將石墨烯和Fe2O3進(jìn)行組合用于下一代電池的開發(fā)將會(huì)意義重大。
我們利用電化學(xué)和溶液處理技術(shù)的組合，生產(chǎn)出了含有Fe2O3 并可用于儲(chǔ)存能量的分層石墨烯復(fù)合材料。電化學(xué)剝離氧化石墨烯(EGO)片材使用定制的裝置進(jìn)行生產(chǎn)，該裝置可實(shí)現(xiàn)石墨片材的快速膨脹并通過電化學(xué)途徑進(jìn)行有效地膨脹石墨剝離。將所得片材與氫氧化鐵膠體前體一起沉積在一次性鎳泡沫上。隨后的煅燒處理同時(shí)使EGO泡沫導(dǎo)電并將Fe(OH)3 轉(zhuǎn)化成赤鐵礦(α-Fe2O3)，從而在中孔EGO泡沫的表面產(chǎn)生納米多孔Fe2O3 層。由此產(chǎn)生的石墨烯/金屬氧化物混合物是一種連續(xù)的導(dǎo)電三維復(fù)合材料是用于鋰儲(chǔ)存(圖6)的理想中-納米多孔分層結(jié)構(gòu)(圖7A-D)。通過使用液體處理技術(shù)，納米結(jié)構(gòu)材料可以通過調(diào)節(jié)Fe2O3:EGO的比率來進(jìn)行優(yōu)化，使得標(biāo)準(zhǔn)紐扣電池電極的性能達(dá)到最大化。63
因?yàn)镕e2O3納米多孔涂層的裝飾，初始放電容量可以提高到701 mAh g–1，從而達(dá)到與市售電池相當(dāng)?shù)碾娙萘浚⑶以诘谝淮畏烹?充電循環(huán)之后還可以保持較高的能量容量(圖7E)。
圖6. 示意圖展示在鎳金屬泡沫上模板輔助沉積電化學(xué)剝離氧化石墨烯(EGO)，并持續(xù)還原以得到未涂覆或涂覆有氧化鐵(赤鐵礦)的導(dǎo)電泡沫(GF)
圖7. A) 用納米多孔氧化鐵層涂覆的介孔導(dǎo)電石墨烯泡沫的SEM圖像；B) A)的插圖；C) Fe2O3/GF多孔層的層級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖；D)原始Ni泡沫、GF和Fe2O3/GF樣品的比較照片；E) 通過調(diào)節(jié)Fe2O3:GF比率而獲得的特殊容量值。63
除了能量?jī)?chǔ)存之外，催化也是使用石墨烯基多孔結(jié)構(gòu)的另一個(gè)具有應(yīng)用前景的領(lǐng)域。特別是，石墨烯材料作為燃料電池中的氧還原反應(yīng)(ORR)這一關(guān)鍵過程的有效陰極催化劑，已經(jīng)顯現(xiàn)出了應(yīng)用的前景。
Fe3O4/石墨烯泡沫在堿性介質(zhì)中比起更常規(guī)的材料(如N摻雜的碳黑或N摻雜的石墨烯片)所支持的Fe3O4納米顆粒在氧化還原反應(yīng)中具有更正向的起始勢(shì)、更高的陰極密度和更高的電子轉(zhuǎn)移數(shù)。這種改善可歸因于3D大孔的作用和石墨烯載體的高比表面積所帶來的ORR性能提高。69 更為先進(jìn)的電化學(xué)能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)化的多孔石墨烯材料的詳細(xì)綜述可參考文獻(xiàn)72。
總結(jié)
石墨烯化學(xué)剝離、加工和官能化領(lǐng)域目前正在急速發(fā)展，每個(gè)月都會(huì)多項(xiàng)科學(xué)成果發(fā)表。預(yù)計(jì)未來幾年這種趨勢(shì)將會(huì)繼續(xù)加速，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)化的質(zhì)量、可良好控制的性能和低成本的石墨烯在世界各地的工業(yè)領(lǐng)域得到了更加廣泛的應(yīng)用。多層石墨烯粉末的價(jià)格已趨于合理，使得石墨烯復(fù)合材料也可受到終端市場(chǎng)的接受。此外，化學(xué)官能化可以增強(qiáng)石墨烯與復(fù)合材料中聚合物基體的相互作用，以改善機(jī)械性能，同時(shí)僅需使用非常少量的石墨烯。
除了其杰出的電子性能外，石墨烯的化學(xué)多功能性和可加工性也使得具有前所未有先進(jìn)功能的極其廣泛的材料的生產(chǎn)成為可能。事實(shí)上，化學(xué)領(lǐng)域本身也正在經(jīng)歷因石墨烯刺激而帶來的復(fù)興。常規(guī)有機(jī)化學(xué)方法需要對(duì)石墨烯進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模@對(duì)有機(jī)化學(xué)家來說十分具有挑戰(zhàn)性。同時(shí)，為了得到不同的復(fù)合材料，必須開發(fā)新穎的合成方法：從涂覆有薄層分子的簡(jiǎn)單石墨烯片材、石墨烯和有機(jī)材料的大塊復(fù)合材料，到將石墨烯作為一個(gè)三維、堅(jiān)固并具有多功能的高級(jí)結(jié)構(gòu)與有機(jī)、無機(jī)甚至生物材料相結(jié)合的復(fù)雜組合形式。
致謝
這些研究結(jié)果的產(chǎn)生受到了“歐盟第七框架計(jì)劃”的資助，并遵守EC Marie-Curie ITN- iSwitch (資助編號(hào)642196) 、石墨烯旗艦項(xiàng)目資助編號(hào)為604391的資助協(xié)議。UPGRADE計(jì)劃感謝“第七框架計(jì)劃”中“未來及新興技術(shù)項(xiàng)目”對(duì)于歐盟委員會(huì)中相關(guān)研究的資助(FET開放資助編號(hào)309056)。我們也感謝Regione Emilia-Romagna – Attività I.1.1的FESR 2007-2013實(shí)施項(xiàng)目。
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