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高品質石墨烯水分散液的綠色製備技術

     近期,來自法國斯特拉斯堡大學的Samorì研究小組開發出一種新型的高品質石墨烯水分散液的綠色製備技術,以電化學剝離法實現表麵親水性修飾的石墨烯層片製備,並進一步製備聚多巴胺-石墨烯複合薄膜作為微超級電容器的電極材料。高品質石墨烯水分散液的綠色製備技術流程如圖一所示,通過電化學剝離剝離將預處理的石墨層片分散為石墨烯水分散液,並進一步沉積聚多巴胺形成功能化石墨烯層片。所製備的石墨烯水分散液具有良好的穩定性,具有穩定膠體特征。

圖一 電化學剝離石墨製備高品質石墨烯水分散液

這種新型綠色化工技術所製備的石墨烯納米片的光譜與形貌結構表征如圖二所示。C1s頻譜的高分辨率XPS結果顯示電化學剝離石墨烯的表麵呈現出少量氧化態,即電化學剝離過程中引入了羧基和羥基。剝離石墨烯的含氧量僅為12%,低於氧化石墨烯(31%)和熱還原氧化石墨烯(14%)。雙層石墨烯層片的拉曼光譜(532 nm激光激發)結果顯示剝離石墨烯的2D峰與G峰比值為0.7,表明層片具有良好質量。采用AFM表征了分散在SiO2基底的石墨烯層片,大多數層片厚度均小於3 nm,其中約60%層片厚度在1~2 nm,可知以此技術製備的石墨烯層片主要由雙層石墨烯構成。從透射電子顯微鏡的檢測圖像可印證此結果,同時選區電子衍射圖譜表明雙層石墨烯具有較高結晶度。

圖二 石墨烯層片的光譜與形貌表征

這種新型綠色化工技術所製備的石墨烯納米片的具有具有良好的電學性能,高頻(太赫茲)電導率測得其電荷載流子遷移率可達1000 cm-2 V-1s-1。這種具有良好親水性的高品質石墨烯層片可用於實現多種功能化材料的製備。在石墨烯層片上負載適量的聚多巴胺後,其電荷載流子遷移率僅下降20%,但基於聚多巴胺-石墨烯的複合薄膜電極的微型超級電容器表現出優異的電化學性能,如圖三所示。基於聚多巴胺-石墨烯的微超級電容器的體積電容達到了340 F cm-3,功率密度達到了1000 W cm-3。此結果優於近期報道的大多數石墨烯基微超級電容器。

圖三 基於聚多巴胺-石墨烯的微超級電容器器件的製備與電化學性能表征

綜上所述,這種高品質石墨烯水分散液的綠色製備技術具有很高的應用潛力,有望在儲能應用上作為平台材料開發更多的應用。

DOI:10.1021/acsnano.9b04232

Published:August 6, 2019

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