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多孔石墨烯的制备及应用
发布时间：
2019-05-22
石墨烯是由单层sp2杂化碳原子呈六边形排列的而组成的一种二维碳材料，具有较大的理论比表面积、较高的本征载流子迁移率、较高的导热系数、室温下超高的电导率等优点。由于其独特的结构和性质，石墨烯已逐渐成为吸引力的应用材料之一。 石墨烯同时也存在着不足之处，如在数字电子领域，由于石墨烯的电子之间缺乏带隙，一旦数据传送之后便很难停止。解决办法是通过在石墨烯表面打孔形成带隙或者整合二维石墨烯构建具有特定三维结构的石墨烯，形成多孔结构。 多孔石墨烯的制备方法 模板法 模板法根据模板的组成及特性不同又可分为硬模板法和软模板法两种。 硬模板法 通过硬模板法制备多孔石墨烯材料主要涉及以下四个方面：（1）制备硬模板；（2）对模板表面进行功能化/改性，以获得适宜的表面性能；（3）通过各种方法将石墨烯或其衍生物，如氧化石墨烯涂覆在模板上；（4）选择性去除模板。 硬模板法也存在许多缺点，如产率相对不高，无法实现高产，采用多步合成工艺时限制较大，模板移除时结构坚固性不足等。 软模板法 软模板法是碳前驱体与软模板之间相互作用进行的自组装反应，经过高温碳化、聚合得到多孔石墨烯，其孔结构主要取决于合成条件，如反应物比例、溶剂类型和反应温度等，该方法可直接用于合成介孔或大孔石墨烯材料。 相比于硬模板，软模板本质上是在分子层面的合成，利用化学键或亲/疏水作用力相互作用的同时构造多孔结构，在软模板法制备多孔石墨烯材料的过程中，起重要作用的是模板与表面活性剂之间的化学反应。 无模板法 无模板法包括刻蚀法、溶剂热法和化学气相沉积法。 刻蚀法 刻蚀法是利用刻蚀剂与石墨烯之间发生化学反应，使石墨烯表面的碳原子被反应刻蚀以后留下孔结构的一种方法。该方法对于材料的刻蚀具有明显的选择性，即刻蚀结束立刻停止，不会损坏其余层面的材料。 溶剂热法 溶剂热法是在特定的高压反应釜中，利用水或有机溶剂作为反应体系，将其加热至临界温度，在高压反应体系中进行材料合成的一种方法，该方法极大地减少了环境污染，并且制备得到的多孔石墨烯材料具有孔径可控的优势。 化学气相沉积法 化学气相沉积法制备多孔石墨烯材料的主要过程是将甲烷、乙炔等含碳气体，再使气态碳源沉积到固态体基体表面，制备得到石墨烯，然后在保护气体中逐渐升温，获得多孔石墨烯材料的一种方法。该方法操作简单、可大规模生产，且制得的多孔石墨烯材料结构完整，具有优良的导电性能。 多孔石墨烯及其复合材料的应用 电极材料 以多孔石墨烯或复合材料为电极材料，其高度连通的结构大大促进了离子的快速输运，从而使材料呈现出较高容量和功率特性。 环境吸附材料 多孔石墨烯具有丰富的孔道结构，由于制备方法的差异，表面含有较多的缺陷，能够较容易引入不同功能团。多孔石墨烯及其复合材料在油/水分离、金属离子吸附和染料分子去除等方面均有诸多应用。 分离领域 通过模型建立和计算机模拟发现，多孔石墨烯对氢气（H2）、氮气（N2）和硫化氢（H2S）等气体分子具有较高的渗透性和选择性，能够有效分离H2/CH4、CO2/N2和H2S/CH4等混合气体。 参考资料： 吴蓬勃、王成君等.多孔石墨烯制备及其纳米复合材料的研究进展 曾旸等.多孔石墨烯材料的制备研究进展 史鹏、侯朝霞等.多孔石墨烯及其复合材料的研究进展
石墨烯是由单层sp2杂化碳原子呈六边形排列的而组成的一种二维碳材料，具有较大的理论比表面积、较高的本征载流子迁移率、较高的导热系数、室温下超高的电导率等优点。由于其独特的结构和性质，石墨烯已逐渐成为吸引力的应用材料之一。
石墨烯同时也存在着不足之处，如在数字电子领域，由于石墨烯的电子之间缺乏带隙，一旦数据传送之后便很难停止。解决办法是通过在石墨烯表面打孔形成带隙或者整合二维石墨烯构建具有特定三维结构的石墨烯，形成多孔结构。
多孔石墨烯的制备方法
模板法
模板法根据模板的组成及特性不同又可分为硬模板法和软模板法两种。
硬模板法
通过硬模板法制备多孔石墨烯材料主要涉及以下四个方面：（1）制备硬模板；（2）对模板表面进行功能化/改性，以获得适宜的表面性能；（3）通过各种方法将石墨烯或其衍生物，如氧化石墨烯涂覆在模板上；（4）选择性去除模板。
硬模板法也存在许多缺点，如产率相对不高，无法实现高产，采用多步合成工艺时限制较大，模板移除时结构坚固性不足等。
软模板法
软模板法是碳前驱体与软模板之间相互作用进行的自组装反应，经过高温碳化、聚合得到多孔石墨烯，其孔结构主要取决于合成条件，如反应物比例、溶剂类型和反应温度等，该方法可直接用于合成介孔或大孔石墨烯材料。
相比于硬模板，软模板本质上是在分子层面的合成，利用化学键或亲/疏水作用力相互作用的同时构造多孔结构，在软模板法制备多孔石墨烯材料的过程中，起重要作用的是模板与表面活性剂之间的化学反应。
无模板法
无模板法包括刻蚀法、溶剂热法和化学气相沉积法。
刻蚀法
刻蚀法是利用刻蚀剂与石墨烯之间发生化学反应，使石墨烯表面的碳原子被反应刻蚀以后留下孔结构的一种方法。该方法对于材料的刻蚀具有明显的选择性，即刻蚀结束立刻停止，不会损坏其余层面的材料。
溶剂热法
溶剂热法是在特定的高压反应釜中，利用水或有机溶剂作为反应体系，将其加热至临界温度，在高压反应体系中进行材料合成的一种方法，该方法极大地减少了环境污染，并且制备得到的多孔石墨烯材料具有孔径可控的优势。
化学气相沉积法
化学气相沉积法制备多孔石墨烯材料的主要过程是将甲烷、乙炔等含碳气体，再使气态碳源沉积到固态体基体表面，制备得到石墨烯，然后在保护气体中逐渐升温，获得多孔石墨烯材料的一种方法。该方法操作简单、可大规模生产，且制得的多孔石墨烯材料结构完整，具有优良的导电性能。
多孔石墨烯及其复合材料的应用
电极材料
以多孔石墨烯或复合材料为电极材料，其高度连通的结构大大促进了离子的快速输运，从而使材料呈现出较高容量和功率特性。
环境吸附材料
多孔石墨烯具有丰富的孔道结构，由于制备方法的差异，表面含有较多的缺陷，能够较容易引入不同功能团。多孔石墨烯及其复合材料在油/水分离、金属离子吸附和染料分子去除等方面均有诸多应用。
分离领域
通过模型建立和计算机模拟发现，多孔石墨烯对氢气（H2）、氮气（N2）和硫化氢（H2S）等气体分子具有较高的渗透性和选择性，能够有效分离H2/CH4、CO2/N2和H2S/CH4等混合气体。
参考资料：
吴蓬勃、王成君等.多孔石墨烯制备及其纳米复合材料的研究进展
曾旸等.多孔石墨烯材料的制备研究进展
史鹏、侯朝霞等.多孔石墨烯及其复合材料的研究进展
关键词:
多孔,石墨,模板,材料,方法,制备,具有,结构,刻蚀
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