石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成二維蜂窩狀六角晶格的平面薄膜,是目前已知最薄的一種材料。石墨烯擁有巨大的比表面積,優異的導電性,熱穩定性和機械性能,在航天軍工、超級電容器、可折疊顯示屏等諸多領域有潛在應用。目前石墨烯的制備方法主要包括微機械剝離法、外延生長法、氧化石墨還原法和氣相沉積法。其中氧化石墨還原法是成本最低且最容易實現規模化生産的石墨烯制備方法。常規的化學法還原過程中需要用到有毒的還原劑(肼、硼氫化鈉等)或要求在高溫或強腐蝕性條件下進行,這些都制約了石墨烯的宏量制備。最近,beat365官方网站的翟茂林教授課題組在石墨烯及其納米複合材料的輻射功能化研究方面取得系列重要進展。
該課題組率先利用 γ 輻照還原法制備出性能優異的石墨烯納米片。研究發現,N,N-二甲基甲酰胺 (DMF)溶劑在輻照過程中産生的溶劑化電子可以高效還原氧化石墨,同時DMF輻解生成的N(CH3)2+通過靜電作用吸附到石墨烯表面,從而使制備的石墨烯納米片在多種有機溶劑及聚合物中具有良好的分散能力。制備的石墨烯/聚苯乙烯複合材料的滲流阈值低至0.24 vol.%,在石墨烯體積分數僅為2.3 vol.%時,聚合物的電導率高達45 S/m,優于化學還原法得到的石墨烯/聚苯乙烯複合物,達到高導電塑料的标準(Journal of Materials Chemistry,2012, 22 (26): 13064 -13069;中國發明專利,201210138975.1),這項研究成果被選為Journal of Materials Chemistry的Hot article,并在該刊物的Blog上被編輯highlighted。
在上述工作基礎上,該課題組通過γ射線一步還原制備了鉑納米粒子修飾的石墨烯,并将其應用于超級電容器的性能研究。研究發現γ輻照能夠誘導鉑金屬前驅體與氧化石墨同步還原,形成均勻分散的鉑納米粒子與高度還原的石墨烯片層納米複合材料。制備的鉑-石墨烯納米複合物作為超級電容器電極材料在不損失長周期循環性的基礎上,表現了比單純的還原氧化石墨烯更高的比電容,并克服了傳統複合電極材料大電流倍率性低的缺點(Journal of Materials Chemistry C, 2013, 1, 321-328;中國發明專利,201210239602.3)。
該課題組還發現在水體系中加入少量咪唑離子液體能夠對氧化石墨的輻射還原起到關鍵作用,并且可以促進銀納米粒子的分散、控制銀納米粒子的粒徑分布。制備得到的銀-石墨烯納米複合物具有良好的表面增強拉曼活性(Carbon, DOI:10.1016/j.carbon.2012.12.033) 。這些研究建立了一種簡便、高收率、低成本宏量制備石墨烯及其納米複合物的新方法。
此外,他們與北京化工大學于中振教授組合作采用乙二胺和DMF對氧化石墨改性,制備的胺基化石墨烯具有優異的Cr(VI)移除能力,是活性炭的27倍,在吸附過程中石墨烯同時将Cr(VI)還原為低毒的Cr(III),還原的電子來源于石墨烯的π電子(Journal of Materials Chemistry, 2012, 22:5914-5916;Journal of Materials Science, DOI:10.1007/s10853-012-6951-8)。