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合物方面取得系列進展
隨著學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對石墨烯及相關材料的不斷研究，高質(zhì)量、差異化、功能化石墨烯成為目前的研究熱點。大量研究證實，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，保護石墨片層本身不受化學或物理作用的影響，這就要求對剝離機理和制備過程進行詳細的研究和調(diào)控。
盧紅斌課題組報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。通過對原料石墨進行化學插層，在室溫條件下進行液相膨脹得到化學膨脹石墨。多種微觀表征證實，化學膨脹發(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進行亮點報道，論文獲期刊當月和當年“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，由于化學膨脹充分釋放了石墨的層間空間，極大的促進氧化劑在石墨層間擴散。通過當量的氧化反應和微弱的機械剝離，在不需要進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亮點報道，論文獲期刊當月 “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，石墨烯基聚合物復合物的研究受到廣泛關注。其關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先制備石墨烯及其衍生物，進而與聚合物復合。這一制備流程不僅復雜難以大規(guī)模應用，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膨脹石墨（CEG）進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、分散以及最終復合物性能優(yōu)化的一個關鍵前提。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。進一步對LCEG表面修飾后，MMA層間聚合充分進行。最終復合物體現(xiàn)了優(yōu)異的熱力學以及導電性能。彈性模量相較于純PMMA增加了3倍，同時電導率也超過了1700 S/m。我們預期此種新型的層間聚合反應方法能夠加速各種石墨烯基聚合物復合物的工業(yè)化應用進程。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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