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二維石墨烯基復合薄膜三維結構石墨烯和三維

  近期,中科院合肥物質科學研究院固體物理研究所納米中心研究人員與安徽大學合作,在二維石墨烯基復合薄膜和三維石墨烯基復合物的制備及性能研究上取得了新進展:利用一種新興的方法—噴墨印刷法成功制備了石墨烯和多金屬氧酸鹽的復合薄膜,并發現復合薄膜可用作生物傳感器;利用水熱的方法制備了三維結構的還原石墨烯/α-Fe復合水凝膠,首次發現三維結構的石墨烯基復合材料有著優異的微波吸收性能。

  石墨烯(單原子層石墨)自從2004年發現以來,引起了人們的廣泛關注,并被用在場效應晶體管、超級電容器、鋰離子電池、氣體傳感器和化學傳感器等領域。二維石墨烯基復合薄膜、三維結構石墨烯和三維結構石墨烯基復合物是構筑石墨烯微觀材料進行宏觀應用的一個有效途徑。噴墨印刷法是一種新興的方法,它將納米材料制成一種分散均勻的可溶性溶液,代替噴墨印刷的墨水,利用商用的噴墨打印機噴墨到各種基底上形成薄膜。復合多維出口氧化石墨烯水溶性非常好,完全可以作為噴墨印刷的墨水。研究人員采用商用的epsonR230打印機,以氧化石墨烯和多金屬氧酸鹽為墨水,交替噴墨到各種基底上(硅、石英玻璃、ITO玻璃、云母片等),形成氧化石墨烯/多金屬氧酸鹽(GO/PTA)n復合薄膜。之后,在紫外光的照射下,利用多金屬氧酸鹽的還原性將氧化石墨烯原位還原,從而獲得了還原的氧化石墨烯/多金屬氧酸鹽(rGO/PTA)n復合薄膜,其制備過程如下圖所示:

  研究人員進一步發現此復合薄膜對多巴胺有著非常良好的電催化氧化特性,可作為潛在的電化學生物傳感器。相關研究成果發表在英國皇家化學會的期刊《物理化學化學物理》上(Physical Chemistry Chemical Physics, 2012, 14, 12757–12763)。并且,文章還得到了當時編輯的高度評價,并以Graphene printer helps fight Parkinson’s disease為題在《化學世界》(Chemistry world)上進行報道。

  除此之外,研究人員還發現石墨烯在還原過程中,由于非常強的π-π作用力,可以將其組裝成三維結構的水凝膠。于是,研究人員以共沉淀法制備的Fe3O4和氧化的石墨烯溶液為前驅體,通過水熱的方法成功的制備了三維結構的還原石墨烯/α-Fe2O3復合水凝膠。研究結果表明,復合水凝膠具有三維網絡狀的孔洞結構,尺寸為50-100納米的α-Fe2O3納米粒子均勻的分布在石墨烯片層上。鑒于三維結構的石墨烯基復合材料的微波吸收性能還未見報道,研究人員又詳細研究了此復合水凝膠的微波吸收性能(如圖2所示)。相對于純的石墨烯水凝膠來說,復合水凝膠不但具有較低的反射損耗,還具有較寬的吸收頻帶。在頻率為7.12千兆赫茲時,復合多維出口復合多維出口復合水凝膠達到反射損耗-33.5 dB;在厚度僅為3毫米時達到寬的低于-10dB(90%的電磁波被吸收)的吸收帶寬-6.4千兆赫茲(從10.8到17.2千兆赫茲)。其優異的吸收性能可能是由于阻抗匹配的原因。純的石墨烯水凝膠具有較高的介電常數,太高的介電常數對阻抗匹配是有害的,它會導致很多電磁波被反射而沒有被吸收。而α-Fe2O3是一種半導體材料,它與石墨烯復合時必將影響石墨烯的導電率,從而降低介電常數,達到阻抗匹配的效果。此外,三維孔洞結構對微波的吸收也起到重要的作用。相關研究成果已發表在國際核心期刊《材料化學A》上(J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 8547)。
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