聚合物改性石墨烯薄膜的制備與導(dǎo)電性能

劉紅宇，彭淑鴿，潘炳力，牛青山

(河南科技大學(xué) 化工與制藥學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

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聚合物改性石墨烯薄膜的制備與導(dǎo)電性能

劉紅宇，彭淑鴿，潘炳力，牛青山

(河南科技大學(xué) 化工與制藥學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

摘要：以Hummers法制備氧化石墨，超聲剝離得到氧化石墨烯(graphene oxide， GO)。在25 ℃和90 ℃兩種溫度下，以聚乙烯亞胺(polyethyleneimine，PEI)為GO的還原劑和修飾劑，制備了PEI改性石墨烯分散液。光電子能譜和紅外光譜揭示了溫度對(duì)PEI還原GO反應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明：25 ℃時(shí)，PEI具有部分還原GO的能力，得到PEI修飾的氧化石墨烯(PEI-GO)；90 ℃時(shí)，接枝的PEI逐漸從GO片層上解離，并將GO還原為表面修飾的石墨烯(PEI-RGO)。將石墨烯分散液抽濾組裝為PEI-RGO薄膜，發(fā)現(xiàn)其電導(dǎo)率為117 S·m-1，有望用于石墨烯導(dǎo)電材料。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)電；石墨烯薄膜；聚乙烯亞胺

0引言

原子級(jí)厚度的石墨烯具有獨(dú)特的二維平面結(jié)構(gòu)、超高比表面積和優(yōu)異的阻隔性能，同時(shí)具有卓越的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和力學(xué)性能，因此，石墨烯已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注[1-3]。文獻(xiàn)[4]報(bào)道了可以使用還原劑水合肼將氧化石墨烯(graphene oxide，GO)還原為具有較高導(dǎo)電性能的石墨烯，所得石墨烯的電導(dǎo)率接近石墨的電導(dǎo)率。文獻(xiàn)[5]將Hummer法制備的GO熱還原為石墨烯，將所得石墨烯添加到聚苯乙烯基體中，得到石墨烯/聚苯乙烯復(fù)合材料。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：純聚苯乙烯中添加少量石墨烯后，其電導(dǎo)率從6.70×10-14S·m-1增加到約3.49 S·m-1。

文獻(xiàn)[6]報(bào)道了聚乙烯亞胺(polyethyleneimine，PEI)可以還原GO，同時(shí)將PEI接枝到原位生成的石墨烯片層上，得到具有水溶性的聚合物改性石墨烯PEI-RGO。導(dǎo)電測(cè)試結(jié)果表明：PEI與GO的質(zhì)量比可以極大地影響所得PEI-RGO的導(dǎo)電能力。本文在文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上，研究了反應(yīng)溫度對(duì)PEI還原GO反應(yīng)的影響。在固定原料PEI與GO質(zhì)量比的前提下，通過(guò)改變反應(yīng)溫度，制備了PEI改性石墨烯水分散液，將所制備的PEI改性石墨烯水分散液抽濾為復(fù)合薄膜，考察了在不同的溫度下所得石墨烯復(fù)合薄膜的導(dǎo)電性能。

1試驗(yàn)

1.1試劑與儀器

聚乙烯亞胺，數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量Mn～10 000，購(gòu)于Sigma-Aldrich公司。濃硫酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%)、高錳酸鉀、硝酸鈉、雙氧水(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%)、鹽酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38%)為分析純?cè)噭们熬醋鬟M(jìn)一步純化處理。采用AXIS-NOVA X射線(xiàn)光電子能譜儀(Kratos Analytical Ltd.,英國(guó))測(cè)試樣品的元素組成。采用Nicolet 6700紅外光譜儀(Thermoscientific,美國(guó))測(cè)試樣品的結(jié)構(gòu)信息。產(chǎn)物形貌測(cè)試在H-7650型透射電鏡(Hitachi,日本)和JSM-6701F型掃描電鏡(JEOL,日本)上完成。采用Keithley 2000型四探針電阻率測(cè)試儀(Keithley Instruments Inc.,美國(guó))測(cè)試其導(dǎo)電性能。

1.2氧化石墨烯的制備

首先按照Hummers方法制備氧化石墨[7]。在冰水浴條件下，將46 mL的濃硫酸加入到2 g天然石墨和2 g硝酸鈉中，攪拌使其混合均勻。磁力攪拌下，取6 g高錳酸鉀，緩慢加入到體系中，繼續(xù)攪拌10 min，撤去冰水浴，將反應(yīng)體系加熱至35 ℃，繼續(xù)攪拌，反應(yīng)30 min。此時(shí)，黑色的反應(yīng)體系變?yōu)樽攸S色。向反應(yīng)體系加入100 mL去離子水并將溫度升至95 ℃，繼續(xù)反應(yīng)1 h，得到金黃色分散液。加入300 mL去離子水和20 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的雙氧水，攪拌30 min后加入5%鹽酸溶液100 mL。最后用去離子水洗滌樣品，直至溶液為中性。將所得產(chǎn)物抽濾，除去溶劑水后，所得樣品置于40 ℃真空干燥，得到干燥的氧化石墨。稱(chēng)取氧化石墨分散于適量去離子水中，在120 W、40 kHz的超聲振蕩儀中超聲30 min，得到 0.5 mg·mL-1的氧化石墨烯溶液備用。

1.3聚乙烯亞胺改性石墨烯的制備

將0.05 g聚乙烯亞胺溶于100 mL去離子水中，得到0.5 mg·mL-1的PEI溶液，置于三口燒瓶中，在磁力攪拌、25 ℃條件下，通過(guò)恒壓滴液漏斗將100 mL的GO溶液(0.5 mg·mL-1)逐滴滴加到PEI溶液中，攪拌反應(yīng)4 h，得到棕色PEI-GO分散液。

另取100 mL、0.5 mg·mL-1的PEI溶液于三口燒瓶中，將反應(yīng)溫度升至90 ℃，磁力攪拌下，將100 mL、0.5 mg·mL-1的GO溶液通過(guò)恒壓滴液漏斗逐滴滴加到PEI溶液中，反應(yīng)4 h后，得到黑色的PEI-RGO分散液。

將GO和RGO分散液過(guò)膜(纖維素濾膜，孔徑0.2 μm)抽濾，加入約1 L去離子水洗滌樣品，除去游離的PEI，分別得到PEI-GO和PEI-RGO薄膜。

2結(jié)果與討論

2.1產(chǎn)物的形貌分析

為了直觀分析GO、PEI-GO和PEI-RGO的形貌，取其分散液，冷凍干燥后得到蓬松的海綿狀樣品，表面噴金后的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(field emission scanning electron microscopy，F(xiàn)E-SEM)照片，如圖1所示。對(duì)于GO而言， GO片層上具有大量的無(wú)規(guī)則皺褶，且邊緣易彎曲，顯現(xiàn)出GO片層具有良好的柔韌性。不同的GO片層彼此無(wú)規(guī)則交叉，在空間呈現(xiàn)松散堆積。對(duì)于PEI-GO，由于具有超高的比表面積，片層同樣具有大量的皺褶，但是對(duì)比于GO，PEI-GO的堆積密度稍大，這是因?yàn)樵?5 ℃環(huán)境下，GO被PEI部分還原所致。對(duì)于PEI-RGO，由于片層彼此緊密堆積，可以觀察到石墨烯片層具有波紋狀皺褶。這是因?yàn)镚O在90 ℃的環(huán)境下被PEI有效地還原為石墨烯，由于石墨烯片層的π-π相互作用導(dǎo)致石墨烯片層緊密堆積在一起。

圖1　GO、 PEI-GO和PEI-RGO的FE-SEM照片

為了更好地展現(xiàn)樣品的形貌，另取樣品的分散液，滴于碳膜上，干燥后做透射電子顯微鏡(transmission electron microscope，TEM)分析，所得TEM照片如圖2所示。圖2a是GO的TEM照片，分析圖2a可知：氧化石墨烯為半透明層狀結(jié)構(gòu)，邊緣有大量的無(wú)規(guī)則皺褶，這些皺褶可以降低氧化石墨烯的比表面積，縮小其表面能，從而使其穩(wěn)定存在。PEI-GO的TEM照片如圖2b所示。與氧化石墨烯相比，PEI-GO依然是半透明的層狀結(jié)構(gòu)，其偏暗的顏色可能是由于接枝在GO表面的PEI所致。圖2c是PEI-RGO的TEM照片，與GO和PEI-GO不同的是，PEI-RGO的外觀透明性顯著增大，可以透過(guò)表層的石墨烯片層，清晰地看到邊緣處石墨烯的折疊狀態(tài)，并且其無(wú)規(guī)則皺褶更多。這是因?yàn)槭┢瑢拥摩?π相互作用，從而更容易發(fā)生皺褶。出現(xiàn)更多的皺褶也表明氧化石墨烯片層被還原為石墨烯片層。文獻(xiàn)[9]報(bào)道了由于聚苯胺的修飾，石墨烯片層與氧化石墨烯片層呈現(xiàn)出類(lèi)似的TEM形貌。

圖2　GO、 PEI-GO和PEI-RGO的TEM照片

2.2產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)分析

圖3 GO、PEI-GO和PEI-RGO的XPS譜圖 圖4 GO、PEI-GO和PEI-RGO的FT-IR譜圖

2.3產(chǎn)物的導(dǎo)電性能分析

石墨烯的導(dǎo)電性能與GO的還原程度有很大關(guān)系。由于GO片層含有大量的羥基、環(huán)氧基、羰基和羧基，破壞了石墨烯的共軛結(jié)構(gòu)，因而GO是非導(dǎo)電物質(zhì)。當(dāng)加入還原劑后，GO片層的含氧基團(tuán)被部分/全部還原，石墨烯恢復(fù)共軛結(jié)構(gòu)，因此有助于提升產(chǎn)物的電導(dǎo)率。GO的還原程度越高，所得石墨烯的電導(dǎo)率也就越大。反過(guò)來(lái)，產(chǎn)物石墨烯的電導(dǎo)率也可以證明GO的還原程度，石墨烯電導(dǎo)率越大，意味著GO的還原程度也就越高。分別將GO、PEI-GO和PEI-RGO通過(guò)抽濾的方法組裝為薄膜，采用四探針?lè)ò次墨I(xiàn)[13]的方法計(jì)算其電導(dǎo)率。

3結(jié)束語(yǔ)

反應(yīng)溫度對(duì)聚乙烯亞胺還原氧化石墨烯的能力有重要影響。25 ℃時(shí)，PEI只能部分還原GO并接枝到GO片層表面生成PEI-GO；90 ℃時(shí)，PEI將GO有效地還原為石墨烯，得到表面改性石墨烯PEI-RGO，這一結(jié)論對(duì)其他還原劑還原GO的反應(yīng)有一定的借鑒意義。由于PEI-RGO分散液組裝的薄膜具有較高的電導(dǎo)率，有望應(yīng)用于石墨烯導(dǎo)電復(fù)合材料。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21101058);河南科技大學(xué)博士科研基金項(xiàng)目(13480051)

作者簡(jiǎn)介：劉紅宇(1979-),男,山東菏澤人,講師,博士,主要研究方向?yàn)楦叻肿訌?fù)合材料.

收稿日期：2016-03-31

文章編號(hào)：1672-6871(2016)05-0091-05

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.05.020

中圖分類(lèi)號(hào)：O611.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A