碳基复合材料制备及其电化学电极的分析

作者/童心昶，湖北黄冈中学

碳基复合材料制备及其电化学电极的分析

作者/童心昶，湖北黄冈中学

碳基复合材料只从在发现之后，就得到了人们广泛关注，其中以石墨烯作为典型代表。碳基复合材料自身具有较多特殊性能，例如机械强度较高、热稳定性能良好。正式由于这些特殊性能让碳基复合材料在传感器、纳米电子器件等领域上广泛应用，具有良好发展前景。本文就对碳基复合材料中的石墨烯作为研究对象，希望能够对碳基复合材料制备及其电化学电极全面了解。

碳基复合材料；制备；电化学电极

1.石墨烯基本性质与制备

■1.1 石墨烯基本性质

石墨烯是碳基复合材料内最具代表性的物质，进而通过对石墨烯了解碳基复合材料具有重要意义。碳作为自然界内常见化学元素之一，研究人员一直在对以碳为元素的材料进行研究，同时以碳为基础元素的材料也不断在人们生活及工作内应用。早在18世纪的时候，研究人员就已经发现了碳在杂化形成下所形成的金刚石与石墨；在19世纪的时候，研究人员发现了碳纳米管。伴随着研究人员的不断深入研究分析，碳材料在类别及数量上不断增加，研究人员的研究方向也开始存在差异，其中以石墨烯作为碳基复合材料代表研究最多。

石墨烯属于半导体结构，能带结构处于原有半导体与金属之间。正常情况下，薛定谔方程能够对材料的电子特性进行分析研究，但是该方程却无法对石墨烯的电子特性进行表述。石墨烯上所载流子属于相对论粒子，在与碳原子周期性作用之下就会产生新型准粒子，石墨烯要是处于低能状态之下，主要可以通过维犹拉克方程进行表达[1]。

■1.2 石墨烯制备

石墨烯在被研究人员发现之后，石墨烯的制备也得到了研究人员的高度关注，进而对石墨烯物理性能与化学性能进行了解。研究人员对石墨烯制备研究一直都没有停止过，在经过长期的分析研究之后，已经总结出几种制备方式[2]。

.2.1机械剥离法

机械剥离法是由研究人员geim所发现的。机械剥离法主要就是通过胶带纸对体积较大的石墨片进行剪薄，利用胶带片上所具有的粘性获取较薄的石墨片，在经过多次剪薄之后，能够获得单层石墨层，该石墨层也就是石墨烯。机械剥离法在制备石墨烯过程中，对石墨烯的晶格并不会造成任何影响，同时对所采取的样品也不会遭受到污染，进而机械剥离法主要在石墨烯物理性能研究上应用。

机械剥离法在石墨烯制备过程中虽然具有较多优势，但是还存在一定局限性。例如，石墨烯光吸收效率较为低下，基本上不会超过3%,想要获取到石墨烯必须利用特定底岑，这样才能够对石墨烯的光学性能进行了解。与此同时，机械剥离法在获取石墨烯过程中所包含的杂质数量较多，石墨烯含量十分有限，进而需要利用原子力显微镜进行观察，整个制备工作量十分繁重。

1.2.2化学氧化还原法

石墨烯在发现之后虽然得到了研究人员高度关注，但是由于当时技术水平有限，进而在对石墨烯研究上主要还停留在其基础性能上。截止到2007年，研究人员在化学氧化还原过程中能够制备石墨烯，石墨烯制备数量得到了显著提高，研究人员在对石墨烯研究上也不在局限与物理性质上。化学氧化还原法主要是通过增加不同石墨之间的间距的形式，让单层石墨能够在溶液的作用下分离。

石墨在氧化还原变化之后，层间距离增加，这样石墨烯剥离也就更加容易，石墨烯制备产量也能够得到提升，对石墨烯今后研究具有重要意义。但是化学氧化还原法在制备石墨烯过程中还存在一定漏洞。例如，在石墨氧化处理时，石墨碳碳键会受到破坏，含氧基团会进入到石墨结构内，在后期处理过程中含氧基团完全除去难度较高[3]。

2.石墨烯复合材料制备

石墨烯复合材料是包含的类别及数量较多，本文主要对无极纳米机构材料与石墨烯所形成的复合材料制备进行研究。

■2.1 化学还原法

金属纳米材料在制备过程中最常应用的方法就是化学还原法。大多数金属在还原剂的处理之后，就会形成纳米结构金属材料，其中还原剂应用最为广泛的为硼氢化钠。化学还原法在制备金属纳米材料上已经十分成熟，进而与金属有关的石墨烯材料就经常应用化学还原法。但是幻雪还原方法所制备的石墨烯表面含氧基团的数量与氧化石墨之间存在较大差距，这样就造成石墨烯不仅仅能够在溶液内分离，同时对纳米颗粒所具备的负载进行了限制。

■2.2 溶胶凝胶法

金属氧化物制备最常见的方法就是溶胶凝胶法。溶胶凝胶法在制备过程中，主要是利用氯化物与醇盐作为氧化物，完成水解与缩聚等化学反应，进而制备出多种金属氧化物[4]。

■2.3 水热反应法

无极纳米晶材料制定最为有效的方法就是水热法。正常情况下，水热反应法在应用过程中主要是利用高压釜提高空间范围内的温度。水热反应法最为显著的优点就是能够有效提高纳米材料表面结晶度，整个制备过程中并不涉及到退火、煅烧等流程。但是在水热反应过程中，石墨还有可能进行氧化还原反应。水热反映法能够在一次反应过程中就完成石墨烯剥离与制备操作，直接制备出石墨烯复合材料。

不同石墨烯复合材料在制备过程中还有较多方法，现阶段研究人员已经研究的石墨烯复合材料制备方法超过20种，但是研究人员对提升石墨烯复合材料密度及均匀性上还存在一定不足，需要研究人员不断深入研究分析[5]。

3.结论

石墨烯自身具有良好的导电性，同时自身比表面积较高，进而在催化剂材料与传感器上面有着良好发展前景。研究人员在对石墨烯物理性能及化学性能分析研究过程中，需要利用电化学测试形式，对石墨烯材料进行深入分析，真正发挥出石墨烯所具有的优势。本文在对碳基复合材料分析研究过程中，以石墨烯复合材料作为研究对象，主要对石墨烯的制备进行探索，希望能够有效推动碳基复合材料的发展。

＊ [1]黄海平,朱俊杰.新型碳材料—石墨烯的制备及其在电化学中的应用[J].分析化学,2011,07:963—971.

＊ [2]张杰,许家胜,王琳,钱建华.钴酸锰/泡沫镍复合电极材料的制备及其电化学性能研究[J/OL].电子元件与材料,2016(01).

＊ [3]邱飞龙,韩雪斌,王颖慧.微波法制备超级电容器电极材料的研究进展[J].广州化工,2016,07:29—31.

＊ [4]李亮,庹鑫,李思博,佘潇.无酶过氧化氢电化学传感器材料的研究进展[J].武汉工程大学学报,2016,04:343—349+356.

＊ [5]蔡敏.超级电容器复合电极材料Ni(OH)_2/GO的制备及其电化学性能研究[J].化工技术与开发,2015,07:31—32.