KNO3/氧化石墨烯纳米含能材料的制备与表征(2)
3.2.1 KNO3的负载量 15
3.2.2 重结晶法 16
3.2.3 中和法 19
3.2.4 溶剂-非溶剂法 21
3.2.5 小结 23
结 论 24
致 谢 25
参考文献26
1 绪论
1.1 氧化石墨烯概述
氧化石墨烯（graphene oxide，GO），一般可由石墨粉末经化学氧化和剥离后得到。自Geim[1]等2004年发现石墨烯后，氧化石墨烯这种一个多世纪前就已发现的材料，重新得到研究者们的关注。它结构独特，性能优越,是纳米级含能材料的研究重点和热点。此外，本文可以利用这种材料一些特殊的性质，合成氧化石墨烯复合材料，从而得到综合性能更为优越、更有应用价值的新型材料。
氧化石墨烯为单层的氧化石墨,是石墨烯十分重要的派生物之一,它一般由石墨粉末与强氧化剂（如KMnO4）在浓硫酸中反应合成[2]。石墨烯仅仅含有一种原子—碳原子，它们形成吹冰边形晶格再四面延伸成蜂窝状结构（如图1.1）。而氧化石墨烯的片层上分为未氧化区域和强氧化区域，未氧化区域由疏水性石墨碎片组成，强氧化区域则包含羟基和环氧基团，两个区域相互交错，再加上片层边缘缀有亲水性的羧酸基团，就形成了氧化石墨烯大致的结构框架。这使得氧化石墨烯实际上是周边亲水、中心疏水的二文两亲物，在水中有了一定的分散性。此外，氧化石墨烯具有可燃性，比表面积大，柔韧性好，但石墨的氧化破坏了石墨烯的二文π共轭结构，因而得到的氧化石墨烯不具有导电性。
（a）石墨烯 （b）氧化石墨烯
1.1 石墨烯和氧化石墨烯的结构图[2]
虽然石墨烯结构整齐而独特，但其具有疏水性且易团聚，使其在实际应用中面临诸多问题，而氧化石墨烯表面大量的亲水性基团正好能解决这些问题。其具有良好的润湿性能和表面活性,因而能够分散在部分溶剂中。值得一提的是，Li[3]等通过测量GO水分散液的表面电势，发现-COOH和-OH离子化而形成静电排斥，也是其能在水中分散成稳定的胶体的重要原因。氧化石墨烯的这个性质使其成为生产石墨烯的较好的前体，也为其后续在纳米尺度上的探索和控制打开了大门。
氧化石墨烯的热脱氧放热特性对于其在含能材料研究中的应用具有重要意义。近年来，氧化石墨烯的热“还原”反应已经成为生产化学改性的石墨烯的普遍方法，但这其中的热“还原”反应实际上是歧化反应，且此歧化反应是强放热反应，能触发氧化石墨烯的自蔓延脱氧反应。Kim[2,4]等用差示扫描量热法（DSC）得出放热曲线图（如图1.2a），从中容易看到GO强烈放热的脱氧过程，歧化反应所释放的能量（6-8KJ/g）大约是引起脱氧反应所需要能量的10倍。因此，只需要少量的热量触发GO的歧化反应，并且一个反应部位所释放的热量能被反馈到材料中，那么热量的正反馈将会很快被建立起来（如图1.2b），从而形成自蔓延脱氧反应，并能放出大量的额外热量。
(a) GO的放热曲线图 (b) 热量正反馈图
1.2 GO的自蔓延脱氧反应DSC曲线图（a）和热量正反馈图（b）[2]
理论上,含能材料通常是可燃剂与氧化剂为主体的混合物。氧化石墨烯的主要成分是碳，其具有热脱氧放热含能特性，可以预测，在氧化石墨烯上负载氧化剂可以形成一类新型纳米含能材料。