盧紅斌課題組在制備高質(zhì)量、超大片石墨烯及石墨烯基聚合物復(fù)合物方面取得系列進(jìn)展
隨著學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對石墨烯及相關(guān)材料的不斷研究，高質(zhì)量、差異化、功能化石墨烯成為目前的研究熱點(diǎn)。大量研究證實(shí)，以鱗片石墨為原料，通過液相剝離-功能化的方法，可以制備出大量滿足工業(yè)需求的石墨烯材料。然而，這樣自上而下的方法需要在削弱石墨片層之間作用力的同時，保護(hù)石墨片層本身不受化學(xué)或物理作用的影響，這就要求對剝離機(jī)理和制備過程進(jìn)行詳細(xì)的研究和調(diào)控。
盧紅斌課題組報(bào)道了一系列制備高質(zhì)量、差異化以及功能化石墨烯的方法。通過對原料石墨進(jìn)行化學(xué)插層，在室溫條件下進(jìn)行液相膨脹得到化學(xué)膨脹石墨。多種微觀表征證實(shí)，化學(xué)膨脹發(fā)生在石墨的每一層插層空間內(nèi)，相對于原料石墨，化學(xué)膨脹石墨具有約1000倍的厚度方向膨脹。這樣的結(jié)構(gòu)易在良溶劑中剝離，從而得到含高質(zhì)量（C/O > 28，膜電導(dǎo)率1.17×105 S/m）、大尺寸（5~10 μm）的石墨烯溶液。論文第一作者為林珊博士和董雷博士，通訊作者為盧紅斌教授，論文發(fā)表于Chemistry of Materials，并被選為ACS Editors’s Choice進(jìn)行亮點(diǎn)報(bào)道，論文獲期刊當(dāng)月和當(dāng)年“Most Read Articles”第一名（Li, S.; Dong, L.; Zhang, J. J. and Lu, H. B. Chem. Mater., 2016, 28, 2138-2146.）。
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另外，由于化學(xué)膨脹充分釋放了石墨的層間空間，極大的促進(jìn)氧化劑在石墨層間擴(kuò)散。通過當(dāng)量的氧化反應(yīng)和微弱的機(jī)械剝離，在不需要進(jìn)行尺寸篩分的情況下，可以制備出平均片層尺寸大于80 μm的氧化石墨烯溶液。論文第一作者為董雷博士，通訊作者為盧紅斌教授，論文發(fā)表于Chemistry of Materials，并被選為ACS Editors’s Choice亮點(diǎn)報(bào)道，論文獲期刊當(dāng)月 “Most Read Articles”第一名。（Dong, L.; Chen, Z. X.; Lin, S.; Wang, K.; Ma, C. and Lu, H. B. Chem. Mater., 2017, 29, 564-572）。
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此外，近年來，石墨烯基聚合物復(fù)合物的研究受到廣泛關(guān)注。其關(guān)鍵就是要解決石墨烯在聚合物基體中的分散以及界面相互作用問題。以往的研究往往集中在預(yù)先制備石墨烯及其衍生物，進(jìn)而與聚合物復(fù)合。這一制備流程不僅復(fù)雜難以大規(guī)模應(yīng)用，同時又很難避免石墨烯含量增加帶來的聚集問題。為此尋求一種更有效、簡單、低成本的高性能石墨烯基聚合物復(fù)合物的制備方法成了現(xiàn)階段的一個難題。
在這里我們首次提出了利用具有超高比表面積的化學(xué)膨脹石墨（CEG）進(jìn)行層間聚合的思路來解決上述難題。通過單體甲基丙烯酸甲酯（MMA）在CEG層間聚合使得CEG自發(fā)地剝離成單層和少層的石墨烯最終良好地分散在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中。結(jié)果表明，CEG較弱的層間相互作用和單體對CEG的潤濕是保證MMA層間聚合與后續(xù)石墨烯的自發(fā)剝離、分散以及最終復(fù)合物性能優(yōu)化的一個關(guān)鍵前提。輕度氧化的CEG（LCEG）在一定程度上可以改善單體對其的親和性，但是不足以保證LCEG的完全剝離。進(jìn)一步對LCEG表面修飾后，MMA層間聚合充分進(jìn)行。最終復(fù)合物體現(xiàn)了優(yōu)異的熱力學(xué)以及導(dǎo)電性能。彈性模量相較于純PMMA增加了3倍，同時電導(dǎo)率也超過了1700 S/m。我們預(yù)期此種新型的層間聚合反應(yīng)方法能夠加速各種石墨烯基聚合物復(fù)合物的工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。該論文發(fā)表于Chemistry of Materials，第一作者為2014級直博生王鵬，通訊作者為盧紅斌教授。詳情請見：Peng Wang, Jiajia Zhang, Lei Dong, Chang Sun, Xiaoli Zhao, Yingbo Ruan, and Hongbin Lu, Interlayer Polymerization in Chemically Expanded Graphite for Preparation of Highly Conductive, Mechanically Strong Polymer Composites, Chem. Mater., 2017, 29, 3412-3422.
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