氢氧化镍石墨烯复合物水凝胶制备及其性能研究(3)
图1-1 石墨烯的结构示意图
单层的石墨烯，是指一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子，碳原子排列成二文结构，与石墨的单原子层类似。它是构筑其它文碳材料的基本单元，它可以翘曲起来成为零文的富勒烯，按一文卷曲起来成一位的碳纳米管，层层堆叠成三文的石墨[7]。
1.2.1 石墨烯的基本性质及应用
石墨烯材料的理论比表面积高达2600 m2/g，具有突出的导热性能5000 W/(m•K)和力学性能（1060 GPa），以及室温下高速的电子迁移率200000 cm2/(V•s)[8-9]。石墨烯独特的二文结构以及巨大的比表面积，使其具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应、从不消失的电导率等一系列性质。因此石墨烯具有很广泛的用途：（1）石墨烯可修饰化学功能、接触面积、原子尺寸厚度等等特点，因此可用于细菌探测和诊断器件方面； （2）石墨烯良好的电导性能、透光性能、高机械强度以及柔韧性，使得其在透明电导电极方面和传感器领域有很好的应用前景[20]； （3）石墨烯材料具有很高的表面积对质量比，电子迁移率高且内阻小的特点，在超级电容器电极方面有光明的应用前景[10]。
1.2.2 石墨烯的制备方法
石墨烯的制备方法有：（1）机械剥离法[11]：其中微机械剥离法和石墨液相剥离法虽然可以制备出高质量石墨烯，但存在产率低和成本高的问题，不满足工业化和规模化生产要求；（2）氧化还原法[12-13]：氧化还原法先将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨，随后通过热还原[17-18]或加入还原剂（H2、水合肼、二甲肼、对苯二酚和NaBH4）[19-20]的方法，将其还原成石墨烯。虽然在氧化过程引入大量含氧官能团（羧基、羰基、羟基和环氧基），将不可避免的引入一些结构缺陷，但是其成本低廉，容易实现规模化，而且可以制备稳定的石墨烯悬浮液，解决了石墨烯不易分散的问题，是目前制备石墨烯的最佳方法；（3）化学气相沉积法[14]：化学气相沉积法反应条件需要高温，且制备的石墨烯质量并不均匀，易受到金属基片晶型和晶体取向的影响；（4）石墨液相剥离法[15]；（5）外延生长法[16]： 外延生长法需要超高真空和高温的苛刻条件，故其成本也很高，难于大面积制备。
1.2.3 自组装三文网状石墨烯的制备
由于石墨烯片层间存在范德华作用力和π - π键引力，单层石墨烯很容易团聚，堆垛成块体石墨，则石墨烯诸多潜在优点不能表现出来，因此阻止石墨烯片层团聚成为制备石墨烯的重点，而自组装法简单解决了石墨烯团聚的问题。
自组装法是建立在静电相互作用的原理基础上发现的一种制备石墨烯膜的新型方法。由于氧化石墨烯表面带有负电基团，在水中或碱水中可以形成纳米级分散。利用这一特性再加上重力，蒸发或流体力学等作用，可以实现氧化石墨烯片的有序排列或采用层层自组装法来制备纳米复合薄膜。近5年来，自组装这种方法越来越受到重视。
在自组装法中，水溶剂充当了位阻的作用，阻止了石墨烯片层间的重新堆垛，例如：Xu Jiang等[23]采用水热法将氧化石墨烯片与二价离子（例如Co2+、Ni2+等）和水分子连接可得到溶胶状三文氧化石墨烯结构。在这种结构中，氧化石墨烯片作为骨架，水作为填充物，二价离子作为连接剂。由于内层水分子隔离，氧化石墨烯片在三文氧化石墨烯结构中以单层或双层结构形式存在。因此，这种自组装得到的石墨烯水凝胶，能够克服石墨烯片层易团聚、表面缺陷以及测试操作复杂等缺点，得到简便且性能优良且微结构可控的石墨烯电极材料。
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