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自2004年Novoselov和Geim发现石墨烯以来,石墨烯因优异的导电性能、导热性能、机械性能以及大的比表面积等,使得它在移动设备、航天航空、电子器件、复合材料、储能、传感器等领域具有广阔的应用前景。随着石墨烯从实验室到工业化应用的深入研究,发现液相剥离法能低成本、大规模制备高质量石墨烯,但是石墨烯的水不溶性大大限制了其制备过程和应用领域。如何快速、高效、规模化制备亲水性石墨烯已经成为研究热点。本文以绿色环保的水为溶剂,采用液相剪切剥离法和电化学剥离法一步制备亲水性石墨烯,并在此基础上研究了亲水性石墨烯的几个潜在应用。本文主要研究内容如下:1.液相剪切法剥离石墨制备亲水性石墨烯的研究。以氧化石墨为添加剂,在水相中采用高速均质机剪切剥离石墨,成功制备出亲水性二维层状结构的石墨烯/氧化石墨烯复合纳米片,简称亲水性石墨烯(2/2)。研究了剥离时间、剪切转速、液体体积等工艺参数对亲水性石墨烯(2/2)浓度的影响,通过对数据的拟合分析发现该方法易于工业化生产。在剪切力作用下制备的氧化石墨烯和石墨烯通过平行平面上芳香环的相互作用组装成二维层状结构。这种独特的结构不仅能保持石墨烯固有的特性还能增加石墨烯的亲水性。由于氧化石墨烯含有极性强的羧基和羟基官能团,可形成较强的静电排斥力,从而使亲水性石墨烯(2/2)在pH=3-10范围内均能稳定存在。石墨烯与氧化石墨烯的协同作用有利于亲水性石墨烯(2/2)与聚合物或无机材料在水相中制备均匀的复合材料以及形成3D网状结构的材料。独特的结构和性质为亲水性石墨烯(2/2)的应用奠定了基础。在此研究基础上,建立了年产1-2吨的亲水性石墨烯中试生产线。2.亲水性石墨烯(2/2)在超级电容器中的应用研究。具有双电层电容性质的石墨烯与赝电容材料的协同作用有利于提高复合材料的比容量和循环稳定性。(1)将亲水性石墨烯(2/2)与聚苯胺采用一步水热法自组装形成3D多孔结构的石墨烯/聚苯胺复合材料。实验结果表明亲水性石墨烯(2/2)有助于聚苯胺在其表面均匀分布和3D多孔结构的形成。该3D石墨烯/聚苯胺复合材料无需添加导电剂和粘结剂可直接作为电极材料,从而简化操作和降低成本。该电极材料因3D结构以及高的电导率和大的比表面积展现出了高的比容量(483F g-1,1Ag-1)和优良的循环稳定性。将3D石墨烯/聚苯胺复合材料组装成对称的超级电容器器件,在500 W kg-1的功率密度下其能量密度高达17.9Wh kg-1。(2)采用原位生长法,以硫酸镍为前驱体,在亲水性石墨烯(2/2)的水悬浮液中制备石墨烯/氢氧化镍复合材料。亲水性石墨烯(2/2)中的石墨烯与氧化石墨烯的协同作用有利于硫酸镍地锚定及较大尺寸Ni(OH)2地生长。该复合材料的比容量高达1510 F g-1(2Ag-1),并且拥有良好的稳定性。将石墨烯/氢氧化镍复合材料与还原氧化石墨烯组装成不对称超级电容器器件,在400 W kg-1的功率密度下该器件的能量密度高达44.9 Wh kg-1。证明了亲水性石墨烯(2/2)在超级电容器电极中有着良好的应用前景。3.亲水性石墨烯(2/2)在太阳能蒸发器中的应用研究。将亲水性石墨烯(2/2)与聚乙烯醇(PVA)采用一步水热法合成了 3D多孔结构的石墨烯/PVA复合材料,其中PVA的引入提高了复合材料的亲水性和机械性能。该复合材料具有高而宽的吸光率(94.5%,250-2500 nm),高孔隙率(97.2%),低导热率(0.02 W m-1K-1)和低密度(0.011 g cm-3)。优异的特性使得复合材料无需额外的绝热层和支撑层即可直接作为太阳能蒸发器并能有效地阻止热量向体相水传导。在1 kW m-2的光照下石墨烯/PVA复合材料展现出了高的水蒸发率(1.44 kgm-2 h-1)和光热转化效率(86%)。证明了亲水性石墨烯(2/2)是低成本制备太阳能蒸发器的理想原材料。4.交替电化学法剥离石墨制备亲水性石墨烯及应用研究。以1 M的硫酸钠为电解液,在两石墨片间施加交替电压,在一定电压下阳极的水被电解为羟基自由基,其作用于石墨的边缘和晶界,从而打开石墨层有利于SO42-和H2O的嵌入。当电压从正电位变为负电位时,SO42-和H2O被还原为SO2和H2,同时阴极上复杂的电化学反应使得石墨片层上的含氧官能团被还原为O2和CO2,这些气体有助于石墨层的剥离。然后在超声辅助下制备了石墨烯/石墨烯量子点复合物,简称亲水性石墨烯(2/0)。探索了电压、交替频率、板间距等工艺参数对剥离效果、亲水性石墨烯(2/0)质量和尺寸的影响。结果发现低电压、低交替频率、大板间距有利于高质量小尺寸的亲水性石墨烯(2/0)的制备。获得的亲水性石墨烯(2/0)能稳定分散在水、NMP、异丙醇、乙醇中,数月不产生沉淀。石墨烯量子点(1-4 nm)的形成能减轻石墨烯的团聚并有助于石墨烯在水中稳定分散。石墨烯和石墨烯量子点的协同作用使得该亲水性石墨烯(2/0)对多巴胺展现出了良好的检测性能,其检出限低至3×10-8 M(S/N=3)。该方法首次被用来制备石墨烯和石墨烯量子点的复合材料,为低成本、绿色化制备亲水性石墨烯提供了一种新的途径。