石墨烯气凝胶的研究进展.复习过程.ppt

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1、石墨烯气凝胶的研究进展.一、石墨烯的制备及其研究进展一、石墨烯的制备及其研究进展1.1、石墨烯到底是什么？石墨烯是人们发现的第一种由单层原子构成的材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格状的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯是已知的世上最薄的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，它的电阻率也很低，只有大约10-8cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料一、石墨烯的制备及其研究进展一、石墨烯的制备及其研究进展1.2、单层碳原子结构的材料碳纳米管碳纳米管富勒烯富勒烯石墨烯石墨烯气凝胶气凝胶单层碳原子单层碳原子1.3 石墨烯的制备方法机械剥离法碳化硅(SiC

2、)外延生长法氧化还原法化学气相沉积法（CVD法）一、石墨烯的制备及其研究进展一、石墨烯的制备及其研究进展1234物理方法物理方法化学方法化学方法Wen Qian,Rui Hao,Yanglong Hou.Solvothermal-assisted exfoliation process to produce graphene with high yield and high quality.Nano Research,2009(2),706-712机械剥离法机械剥离法 在保护气氛下加热石墨粉末到1000保持一分钟，获得膨胀石墨，随后将其加入到乙腈(CAN)溶剂中，加热至180，保持12小时，经

3、过热溶剂化过程后，CAN分子进入膨胀石墨的夹层空间，未反应的石墨沉到瓶底，而经过溶剂化反应后的石墨因为其比较松散的结构，通常会悬浮在溶剂中。再对产品进行超声处理一个小时，获得一种悬浮液体，对混合物进行离心分离，即可制得稳定分散的石墨烯溶液。一、石墨烯的制备及其研究进展一、石墨烯的制备及其研究进展结论：结论：对于没有经过溶剂热过程处理的膨胀石墨，对于没有经过溶剂热过程处理的膨胀石墨，CANCAN分子很难进入其夹分子很难进入其夹层空间。层空间。表1 四种不同方法制得的样品Wen Qian,Rui Hao,Yanglong Hou.Solvothermal-assisted exfoliation

4、process to produce graphene with high yield and high quality.Nano Research,2009(2),706-712一、石墨烯的制备及其研究进展一、石墨烯的制备及其研究进展Keun Soo Kim,Yue Zhao,Jae-Young Choi,Byung Hee Hong,et al.Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes.Nature,2009,457:706-710化学气相沉积法（CVD法）Keun

5、 Soo Kim,Yue Zhao,Jae-Young Choi,Byung Hee Hong,et al.Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes.Nature,2009,457:706-710Figure3|Transfer processes for large-scale graphene filmsa.a.生长在生长在Ni/SiONi/SiO2 2/Si/Si上的厘米级上的厘米级尺寸的石墨烯薄膜尺寸的石墨烯薄膜b.b.经过经过FeClFeCl3 3刻蚀掉金属镍

6、基层刻蚀掉金属镍基层后，漂浮的石墨烯，这种漂浮的后，漂浮的石墨烯，这种漂浮的石墨烯可以通过直接接触其基底石墨烯可以通过直接接触其基底来转移来转移c.c.通过不同图案的金属镍层，通过不同图案的金属镍层，可以制备不同图案的石墨烯薄膜可以制备不同图案的石墨烯薄膜d,ed,e分别是使用硅橡胶来转移石分别是使用硅橡胶来转移石墨烯薄膜墨烯薄膜f.f.附着在硅橡胶上的石墨烯薄附着在硅橡胶上的石墨烯薄膜透明且柔韧膜透明且柔韧g.g.附有石墨烯薄膜的硅橡胶与附有石墨烯薄膜的硅橡胶与二氧化硅面接触，二氧化硅面接触，h.h.在二氧化硅基底上留下有图在二氧化硅基底上留下有图案的石墨烯薄膜案的石墨烯薄膜证明这个干燥转移

7、在大面积石墨证明这个干燥转移在大面积石墨烯电极转移过程和没有额外光刻烯电极转移过程和没有额外光刻设备的情况下是非常有用的设备的情况下是非常有用的二、气凝胶的结构及其性质二、气凝胶的结构及其性质 气凝胶是指采用特殊工艺把湿凝胶中的液体用气体置换而不显著气凝胶是指采用特殊工艺把湿凝胶中的液体用气体置换而不显著改变凝胶网络的结构和体积而得到的具有低密度和高比表面积的高度多改变凝胶网络的结构和体积而得到的具有低密度和高比表面积的高度多孔性纳米材料。孔性纳米材料。只要是将凝胶中的液体被气体所取代，同时凝胶的网络结构基本只要是将凝胶中的液体被气体所取代，同时凝胶的网络结构基本保留不变，这样所得的材料都称为

8、气凝胶。保留不变，这样所得的材料都称为气凝胶。水水凝凝胶胶气气凝凝胶胶冷冻干燥冷冻干燥溶剂置换溶剂置换二、气凝胶的结构及其性质二、气凝胶的结构及其性质气凝胶气凝胶世界上最轻的材料世界上最轻的材料二、气凝胶的结构及其性质二、气凝胶的结构及其性质 就结构而言，气凝胶微观上呈链状或串珠状结构，直径一般在十几纳米就结构而言，气凝胶微观上呈链状或串珠状结构，直径一般在十几纳米以下。以二氧化硅气凝胶为例，通常其孔径分布较窄，主要是开放与联通的以下。以二氧化硅气凝胶为例，通常其孔径分布较窄，主要是开放与联通的介孔，普通二氧化硅气凝胶的孔结构呈无序状态。如图所示介孔，普通二氧化硅气凝胶的孔结构呈无序状态。如图

9、所示何飞,赫晓东,杨丽丽,等.二氧化硅气凝胶的制备方法研究.材料导报 2005,（专辑）:31郑文芝.二氧化硅气凝胶研制及其结构性能研究.华南理工大学.20102.1 2.1 结构特点结构特点二、气凝胶的结构及其性质二、气凝胶的结构及其性质2.2 2.2 气凝胶的性质气凝胶的性质空间网状空间网状结构结构低导热系数低导热系数0.013W/(Km)低密度低密度（3kg/m3）高孔隙率高孔隙率（80%-99%）比表面积大比表面积大1000m2/g二、气凝胶的结构及其性质二、气凝胶的结构及其性质二、气凝胶的结构及其性质二、气凝胶的结构及其性质气凝胶气凝胶无机气凝胶无机气凝胶（二氧化硅气凝胶）（二氧化硅

10、气凝胶）有机气凝胶有机气凝胶（RF气凝胶）气凝胶）碳气凝胶碳气凝胶（石墨烯气凝胶）（石墨烯气凝胶）2.3 2.3 气凝胶的分类气凝胶的分类二、气凝胶的结构及其性质二、气凝胶的结构及其性质2.4 2.4 气凝胶的制备气凝胶的制备 气凝胶材料的制备一般包括两个过程，溶胶凝胶过程和干燥过程，前者主要气凝胶材料的制备一般包括两个过程，溶胶凝胶过程和干燥过程，前者主要是获得具有一定空间网络结构的含有少量催化剂的湿凝胶，后者则是去掉湿凝胶网是获得具有一定空间网络结构的含有少量催化剂的湿凝胶，后者则是去掉湿凝胶网络骨架中的溶剂，得到最终的气凝胶材料。络骨架中的溶剂，得到最终的气凝胶材料。目前气凝胶的制备工艺

11、的差异主要体现在干燥方法上，常用的干燥方法有以目前气凝胶的制备工艺的差异主要体现在干燥方法上，常用的干燥方法有以下几种下几种超临界干燥超临界干燥常压干燥常压干燥冷冻干燥冷冻干燥传导干燥传导干燥二、气凝胶的结构及其性质二、气凝胶的结构及其性质溶胶溶胶凝胶法制备凝胶法制备SiOSiO2 2气凝胶气凝胶 以正硅酸乙酯（以正硅酸乙酯（TEOS)TEOS)、乙醇（、乙醇（EtOH)EtOH)和蒸馏水为原料，盐酸为酸性催化和蒸馏水为原料，盐酸为酸性催化剂促进剂促进TOESTOES水解，氨水为碱性催化剂促进水解产物缩聚，并不断长大、交联，水解，氨水为碱性催化剂促进水解产物缩聚，并不断长大、交联，形成凝胶颗粒

12、，常温静置得到颗粒状凝胶，继续在乙醇中老化，放入干燥箱形成凝胶颗粒，常温静置得到颗粒状凝胶，继续在乙醇中老化，放入干燥箱内干燥。内干燥。TEOS的水解过程反应式的水解过程反应式胡守亮.SiO2气凝胶充填非石墨化泡沫炭复合隔热材料的研究.哈尔滨工业大学.2010二、气凝胶的结构及其性质二、气凝胶的结构及其性质K.Mosig,T.Jacobs,K.Brennan.et al.Integration challenges of porous ultra low-k spin-on dielectrics.Microelectronic Engineering,2002,64:11-24溶胶溶胶凝胶法

13、制备凝胶法制备SiO2气凝胶气凝胶三、石墨烯气凝胶的研究进展三、石墨烯气凝胶的研究进展石墨烯气凝胶石墨烯气凝胶石石墨墨烯烯气气凝凝胶胶高导电性能高强度比表面积大超低密度高空隙率强吸附性3.1 石墨烯气凝胶的产生及其性能石墨烯气凝胶的产生及其性能三、石墨烯气凝胶的研究进展三、石墨烯气凝胶的研究进展 基于以上对石墨烯和气凝胶的了解，可以制备出一种以石墨烯为骨架单元基于以上对石墨烯和气凝胶的了解，可以制备出一种以石墨烯为骨架单元的气凝胶，这种产品既提供了一种二维石墨烯的三维集成与组装方法，又赋予的气凝胶，这种产品既提供了一种二维石墨烯的三维集成与组装方法，又赋予了石墨烯以气凝胶形式存在时所特有的性能

14、，因而无论在基础科学还是在应用了石墨烯以气凝胶形式存在时所特有的性能，因而无论在基础科学还是在应用科学方面都有非常重要的意义科学方面都有非常重要的意义定义：以石墨烯为骨架单元的气凝胶定义：以石墨烯为骨架单元的气凝胶高比表面积高比表面积高导电率高导电率良好的机械性能良好的机械性能三、石墨烯气凝胶的研究进展三、石墨烯气凝胶的研究进展3.2 3.2 石墨烯气凝胶的制备方法石墨烯气凝胶的制备方法1、以、以RF为黏接剂制备石墨烯气凝胶为黏接剂制备石墨烯气凝胶2、利用水热法制备石墨烯气凝胶、利用水热法制备石墨烯气凝胶区别区别制备过程中是否需要使用黏接剂制备过程中是否需要使用黏接剂三、石墨烯气凝胶的研究进展

15、三、石墨烯气凝胶的研究进展3.3 3.3 石墨烯气凝胶的制备实例分析石墨烯气凝胶的制备实例分析 用不同质量分数(0 4%)的酚醛聚合物RF作黏接剂，以碳酸钠为催化剂，在氧化石墨的水分散液中合成了RF-GO湿凝胶。经丙酮溶剂交换和超临界二氧化碳干燥后，在氮气气氛下，于1050高温热解还原制得石墨烯气凝胶。实例一实例一Worsley M A,Pauzauskie P J,Olson T Y,et al.Synthesis of graphene aerogel with high electrical conductivity.Journal of the American Chemical So

16、ciety,2010,132(40):14067-14069.Graphene oxideRF,CWet GO-RF gelswashed in acetonepyrolysis at 1050 under nitrogen supercritical CO2 driedGO-RF aerogelGraphene aerogel3.3 3.3 石墨烯气凝胶的制备实例分析石墨烯气凝胶的制备实例分析实例二实例二 合成路线：在强机械搅拌的作用下，在200ml含有60ml的4.0mg/ml的GO的烧杯中，加入0.72gL-抗坏血酸，直到完全溶解，加热到40后保持至少16小时以形成石墨烯水凝胶，获得的水

17、凝胶至少要在去离子水的作用下净化一周，以去除小分子物质（包括L-抗坏血酸和它的氧化物），然后通过冷冻干燥获得石墨烯气凝胶。氧化石墨氧化石墨4.0mg/ml4.0mg/ml加入加入0.72g L-0.72g L-抗坏血酸抗坏血酸搅拌至完全溶解搅拌至完全溶解加热到加热到 40保持至保持至少少16小时，小时，去离子水中去离子水中纯化一周纯化一周石墨烯水凝胶石墨烯水凝胶石墨烯气凝胶石墨烯气凝胶冷冻干燥冷冻干燥乙醇置换乙醇置换石墨烯醇凝胶石墨烯醇凝胶Zhang Xuetong,Sui Zhuyin,Luo Yunjun,et al.Mechanically strong and highly condu

18、ctive graphene aerogel and its used as electrodes for electro-chemical power sources Journal of Materials Chemistry，2011，21(18):6494 6497超临界超临界CO2干燥干燥三、石墨烯气凝胶的研究进展三、石墨烯气凝胶的研究进展 通过加热氧化石墨和L-抗坏血酸混合液成功地制备了石墨烯气凝胶，选择L-抗坏血酸为还原剂是由于其在还原过程中不产生任何气体，可形成均匀的气凝胶。Zhang Xuetong,Sui Zhuyin,Luo Yunjun,et al.Mechanical

19、ly strong and highly conductive graphene aerogel and its used as electrodes for electro-chemical power sources Journal of Materials Chemistry，2011，21(18):6494 6497实例二实例二氧化石墨烯水分散液石墨烯水凝胶左右分别为超临界CO2干燥和冷冻干燥制得的石墨烯气凝胶承重自身质量约14000倍的石墨烯气凝胶实例二实例二Zhang Xuetong,Sui Zhuyin,Luo Yunjun,et al.Mechanically strong a

20、nd highly conductive graphene aerogel and its used as electrodes for electro-chemical power sources Journal of Materials Chemistry，2011，21(18):6494 6497石墨烯气凝胶的表面形貌分析石墨烯气凝胶的表面形貌分析 对于超临界对于超临界COCO2 2干燥的石墨烯气凝胶，大范围形貌比较均一，放大后可以发现其三维网络结构干燥的石墨烯气凝胶，大范围形貌比较均一，放大后可以发现其三维网络结构是随机取向的，且介孔分级明显，片状石墨烯中自由分布着一些大孔（大于是随机

21、取向的，且介孔分级明显，片状石墨烯中自由分布着一些大孔（大于50nm50nm），同时也有很多），同时也有很多中孔（中孔（2-50nm2-50nm），通过冷冻干燥的石墨烯气凝胶虽然在大范围取景中有着类似左图的三维网络结构，），通过冷冻干燥的石墨烯气凝胶虽然在大范围取景中有着类似左图的三维网络结构，但其介孔特征也有明显不同，大孔结构较多，几乎没有中孔结构。宏观表现为产品密度不同。但其介孔特征也有明显不同，大孔结构较多，几乎没有中孔结构。宏观表现为产品密度不同。三、石墨烯气凝胶的研究进展三、石墨烯气凝胶的研究进展结语结语 新材料的研制和应用一直是十分重要的课题，石墨烯气凝胶是近年来在石新材料的研制和

22、应用一直是十分重要的课题，石墨烯气凝胶是近年来在石墨烯的基础上开发的一种新型多孔纳米块体材料，由于其低密度、高表面积、墨烯的基础上开发的一种新型多孔纳米块体材料，由于其低密度、高表面积、大孔体积、高电导率、良好的热稳定性及结构可控等特性，使得其在吸附、储大孔体积、高电导率、良好的热稳定性及结构可控等特性，使得其在吸附、储能、催化、电化学等领域具有广阔的应用前景。能、催化、电化学等领域具有广阔的应用前景。展望展望1 1、目前石墨烯的制备方法仍然比较繁琐，从氧化石墨开始到成功制备出石墨、目前石墨烯的制备方法仍然比较繁琐，从氧化石墨开始到成功制备出石墨烯气凝胶，往往需要数天甚至一两周的时间，因此，需

23、要寻找一种更加方便快烯气凝胶，往往需要数天甚至一两周的时间，因此，需要寻找一种更加方便快捷的制备方法，以实现石墨烯气凝胶的大规模工业化生产。捷的制备方法，以实现石墨烯气凝胶的大规模工业化生产。2 2、虽然石墨烯气凝胶具有很多优异的性能，但是现在对于它的研究还主要停、虽然石墨烯气凝胶具有很多优异的性能，但是现在对于它的研究还主要停留在实验室阶段，实际在工业和生活中的应用并不多，应该拓宽思维，使石墨留在实验室阶段，实际在工业和生活中的应用并不多，应该拓宽思维，使石墨烯尽快应用到实际生活中。设想可以利用石墨烯的高吸附性，且由于它憎水性，烯尽快应用到实际生活中。设想可以利用石墨烯的高吸附性，且由于它憎水性，可以用来回收海面漏油，等等。可以用来回收海面漏油，等等。三、石墨烯气凝胶的研究进展三、石墨烯气凝胶的研究进展此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢