Progreso en la preparación y aplicación de grafeno funcional

El grafeno es una estructura de carbono monocapa en forma de panal compuesta por átomos de carbono que forman enlaces covalentes planos con hibridación SP2. También es una unidad estructural básica de muchas estructuras de nanocarbono como los fullerenos y los nanotubos de carbono. Dado que fue preparado con éxito por Geim et al. en 2004, el grafeno se ha convertido en un material estrella en los últimos años con una resistencia mecánica, movilidad y conductividad del portador, conductividad térmica, permeabilidad a la luz y estabilidad química extremadamente altas. Ha recibido una amplia atención de los círculos académicos e industriales.

Sin embargo, en contraste con estas propiedades incomparables, los materiales de grafeno que se utilizan realmente en la producción y la vida requieren una variedad de propiedades. Por ejemplo, el grafeno es un material con una superficie teórica de hasta 2630 M2 / gy tiene un gran potencial de aplicación en la química de superficies, la adsorción y otros campos. Sin embargo, la superficie del eigengraphene es una estructura de enlace π grande y plana, que tiene un grado considerable de inercia química e hidrofobicidad, y es fácil de apilar y agregar, lo que no favorece el rendimiento del grafeno.

Para resolver los problemas anteriores y satisfacer las necesidades de la aplicación, los académicos agregaron otros componentes y estructuras sobre la base del grafeno para formar una nueva clase de nuevos materiales que funcionan con el grafeno. Mantienen la mayoría de las propiedades básicas del grafeno mientras tienen diferentes propiedades. Las nuevas propiedades del eigengraphene. Debido a la introducción de varios métodos de modificación, el grafeno funcional se puede diseñar gradualmente de manera razonable para las necesidades reales, y su potencial de aplicación se ha desarrollado gradualmente. ¡En los últimos años, su investigación se ha desarrollado rápidamente!

Este artículo revisa los últimos avances del grafeno funcional. En primer lugar, de acuerdo con la estructura química, se describe el método de preparación de unión covalente y unión no covalente. En segundo lugar, según el campo de aplicación específico, se resumen los últimos resultados de investigación del grafeno funcional en los últimos años.

1, método de preparación

El grafeno funcional se deriva del grafeno. En la última década más o menos, el método de preparación del grafeno se ha desarrollado continuamente, formando gradualmente películas delgadas de grafeno representadas por deposición de vapor químico y polvos de grafeno representados por Redox, como se muestra en la Figura 1, 2. El primero se caracteriza por tener grafeno más alto calidad cristalina, contenido de grupo menos funcional y propiedades electrónicas con semiconductores intrínsecos. Este último se caracteriza por una superficie de grafeno que contiene ciertos grupos funcionales que contienen oxígeno y una estructura suelta. Es propicio para el rendimiento de la superficie específica más grande y puede producirse en masa. En consecuencia, la preparación de grafeno funcionalizado también se basa en eigengraphene y óxido de grafeno como materias primas.

1.1 Funcionalidad covalente del grafeno

La superficie de eigengraphene consta completamente de átomos de carbono SP2. Esta es una estructura muy estable que le da al grafeno una fuerte inercia química en circunstancias normales. Al mismo tiempo, esta estructura hace que sea fácil de apilar y agregar entre grafeno, y la naturaleza hidrofóbica también hace que el grafeno sea difícil de dispersar en disolventes como el agua, lo que reduce la operatividad del grafeno en las aplicaciones.

La covalencia del grafeno está diseñada para destruir esta estructura estable, de modo que la actividad superficial del grafeno sea fácil de dispersar en disolventes, y también favorece su papel en aplicaciones como la adsorción y la destrucción de estructuras de enlace π planas. La conductividad y la conductividad térmica del grafeno covalentemente funcional son generalmente significativamente más bajas que las del grafeno intrínseco.

1.1.1 Uso funcional de pequeñas moléculas orgánicas

Aunque el grafeno intrínseco es químicamente inerte, su enlace π también puede sufrir ciertos tipos de cambios químicos en condiciones químicas fuertes. Similar a la nanopartícula de carbono Guandeng, la estructura de carbono SP2 del grafeno puede reaccionar directamente con reactivos de radicales libres como las sales de diazonio. Al seleccionar la matriz de reacción adecuada, se pueden lograr los grupos funcionales necesarios para la modificación de la superficie de varios tipos de grafeno., Como se muestra en la Figura 3. Además, el eigengrafeno también puede sufrir cicloadición con el cuerpo de dieno, abriendo el enlace de carbono SP2 a producir un producto funcional. De esta manera, un sistema de anillo complejo que contiene heteroátomos como el nitrógeno se puede introducir fácilmente en el grafeno para permitirle desempeñar un papel en una variedad de campos de aplicación. Esto es consistente con su Guandeng de carbono.

Xu y col. reaccionó con acetilenona como agente reductor y óxido de grafeno, utilizando los átomos de carbono activo en acetilacetona. En la reacción de un solo paso, tanto la reducción como la funcionalización se lograron al mismo tiempo, y se obtuvo grafeno funcional con unidades de acetilacetona altamente coordinadas en la superficie. Este grafeno no solo se puede dispersar en varios disolventes como el agua, sino que también tiene una fuerte capacidad de adsorción de plasma de CO2 + y Cd2 +.

1.1.2 Injerto de polímeros por enlace covalente

Además de las pequeñas moléculas orgánicas, muchos polímeros o sus precursores también pueden unirse a la superficie del grafeno de manera similar. Fang y col. conectó el grupo arilo con una reacción de sal de diazonio en la superficie del grafeno y luego realizó la polimerización de radicales libres, en la que los radicales libres producidos por la sal de diazonio se usaron directamente como iniciadores de la reacción, lo que resultó en la conexión del grafeno a la superficie de poliestireno. La conexión de polímero separa eficazmente la hoja de grafeno y evita la agregación. Al mismo tiempo, debido a la acción del grafeno, el polímero forma una membrana bien dispuesta.

De manera similar, la polimerización de muchos precursores de polímeros se puede llevar a cabo en la suspensión de óxido de grafeno, y el óxido de grafeno naturalmente juega un papel en los polímeros de reticulación, no solo en las propiedades del grafeno en sí. Play, El rendimiento general de los complejos poliméricos también se ha mejorado en diversos grados.

Además de la autopolimerización, los polímeros también pueden usar grupos funcionales activos en los extremos de sus cadenas para conectarse a la superficie del óxido de grafeno, lo que compensa algunas de las desventajas de la polimerización in situ, como la capacidad de injertar una variedad de polímeros en la superficie de CA Moene., incluidos los polímeros que no se pueden polimerizar en la superficie del grafeno. Yu y col. conecta las moléculas de P3HT con grupos hidroxilo en GO mediante reacción química y alcanza el máximo de las propiedades eléctricas del grafeno a través de estas cadenas conductoras ramificadas.

Una de las características más importantes de las interconexiones de grafeno y polímero es que el grafeno y los polímeros se entrecruzan fácilmente entre sí, formando una estructura similar a una rejilla. Además, el grafeno requiere solo una pequeña cantidad de masa debido a sus grupos tensioactivos relativamente ricos. fracción, puede hacer un cambio significativo en la tenencia del polímero. Muchos complejos de polímero de grafeno exhiben un estado de gel en solución y, para los complejos que pueden formar sólidos, a menudo van acompañados de cambios significativos en las propiedades físicas. Por ejemplo, en el sistema de alcohol polivinílico de grafeno, solo 1 itrio de óxido de grafeno puede aumentar en gran medida las propiedades mecánicas del polietileno, la resistencia a la tracción y el módulo elástico aumentan en 88 itrio y 150 itrio, respectivamente, y debido a su conexión de enlace covalente, La tasa de alargamiento de la fractura también tiene un cierto aumento.

1.2 Modificación no covalente del grafeno

En la aplicación práctica del grafeno funcionalizado, generalmente se requiere mejorar la dispersión del grafeno, evitar la agregación excesiva y mantener la conductividad conductiva y térmica inherente del grafeno, mientras que la modificación del enlace covalente produce un grafeno. La destrucción del cruce del automóvil, es difícil cumplir completamente con estos dos requisitos, por lo que el método de modificación del enlace no covalente ha recibido una atención generalizada.

1.2.1 Modificación de la carga de nanopartículas

El grafeno, como material con una gran superficie específica, se puede combinar fácilmente con varias partículas que han demostrado tener excelentes propiedades a través de la adsorción superficial. Las partículas típicas aquí incluyen nanopartículas de metales u óxidos como Ag y Fe3O4, que generalmente están conectadas directamente a grupos funcionales en la superficie del óxido de grafeno, o están conectadas no covalentemente a la superficie del eigengrafeno a través de una clase de estabilizadores. Como se muestra en la Figura 6, después de calentar, estas nanopartículas todavía están unidas firmemente a la superficie del grafeno.

Además de la unión covalente de hidroxilo y grafeno, el alcohol polivinílico también es un ejemplo típico de enlace de hidrógeno y óxido de grafeno. La adición de cantidades apropiadas de alcohol polivinílico puede conectar tabletas de óxido de grafeno para formar redes complejas. Estructura, forma un gel en solución acuosa.

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