自下而上石墨烯粉体的制备及其应用

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石墨烯作为一种典型的二维材料,具有优异的物理化学特性,表现出十分广阔的应用前景,其中粉体是一类重要的石墨烯类型,可以作为特种添加剂复合到其他材料中,全面改善材料的自身性能和赋予更多的功能。在复合材料中,石墨烯粉体特性的发挥严重依赖于石墨烯粉体的结构和合成方式。目前,人们发展了多种石墨烯粉体的生产方法如液相剥离(LPE)、化学氧化还原的方法、电化学剥离法和CO2插层剥离等。这些方法制备的石墨烯仍然存在着石墨烯层数一致性差异大、缺陷多、石墨烯粉末团簇严重等问题,限制了石墨烯的应用。理想的石墨烯制备方法应该是成本低、效率高、性能可调,以及具有少层石墨烯的形态等特征。因此,发展一种操作简单、低成本、层数可控、环境友好、可实现规模化制备的新型石墨烯粉体合成路线具有重要意义。在本论文中我们提出了一种自下而上的石墨烯粉体合成策略,以双氨基芳香族化合物为碳源,以Na Cl微晶体为模板,通过聚合-热解过程合成石墨烯粉体,该方法可以规模化制备出少层、高质量的石墨烯粉体,而且可以有效地实现杂原子在石墨烯中的原位掺杂。并且探究了该石墨烯粉体在润滑、电磁屏蔽领域的具体应用。主要内容如下:(1)采用二氨基杂环化合物自下向上制备石墨烯粉末的通用制备方法:即通过热解具有双氨基的芳香族分子的自聚化合物作为碳源,包覆在作为可溶性模板的氯化钠微晶上,合成石墨烯粉体。通过调节Na Cl质量比和碳化温度,可以有效调节石墨烯粉体的层数、比表面积、电导率、氮含量和石墨化程度。以间苯二胺为前驱体,以不同质量比的Na Cl在1500℃下制备的石墨烯粉末,具有较高的比表面积,从150 m~2g-1到545 m~2g-1,具有可忽略的微孔,较高的粉末电导率(在20MPa下可达1351 S m-1),以及较少的石墨烯层数。同时,进一步探索了不同二氨基杂环化合物的制备方法,采用相同的制备策略,获得不同杂原子掺杂的石墨烯粉体材料(氮,氮硫共掺杂石墨烯)。在此基础上,通过对实验参数的优化,并实现了石墨烯的规模化化制备。(2)自下而上合成的石墨烯粉体摩檫学特性的研究:将所石墨烯粉体、机械剥离石墨烯、电弧放电法石墨烯作为添加剂分别添加到基础润滑油中,制备得到不同石墨烯润滑油,分别进行润滑性能测试,结果表明制备的石墨烯粉体相较于其他两种石墨烯作为添加剂加到基础油中摩擦磨损性能得到了显著提高,相较于基础油,摩擦系数降低30%,磨损降低40%-48%。结果表明采用该类石墨烯作为润滑添加剂,可有效降低摩擦磨损。(3)自下而上合成的石墨烯粉体电磁屏蔽特性的研究:以间苯二胺为前驱体,氯化钠作为模板,调整前驱体与氯化钠质量比为1:60,调整碳化温度制备得到具有不同石墨化程度的石墨烯粉体。通过电导率测试发现随着碳化温度的升高,石墨烯粉体的电导率升高,并在1500℃时的电导率高达1400 S m-1,可作为优异的电磁屏蔽材料。由于N掺杂效应,石墨烯表层的自由电子在电磁波作用下容易形成载流子,反射大部分的电磁波。另外,C-N、C=O和空穴等官能团充当极化和散射中心,发生界面极化和偶极极化损耗电磁波。仅20%的填料,对电磁波(8-18 GHz)平均有效屏蔽高达86.4d B,满足军民两用。
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