石墨烯在鎳磷化學(xué)復(fù)合鍍中的應(yīng)用*

余佳潔,袁柯妍,宋志強(qiáng),吳晨陽(yáng),邵國(guó)強(qiáng)

(浙江外國(guó)語(yǔ)學(xué)院化學(xué)系,浙江 杭州 310023)

化學(xué)鍍是一種依據(jù)氧化還原反應(yīng)原理，在含有金屬離子的溶液中，將金屬離子還原成金屬而沉積在各種材料表面形成致密鍍層的方法，該技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)便、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)，目前已在電子、閥門制造、機(jī)械、石油化工、汽車、航空航天等工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成的正六邊型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)和力學(xué)等性質(zhì)，廣泛應(yīng)用在傳感器、晶體管、柔性顯示屏、新能源電池、復(fù)合材料等方面。隨著石墨烯制備方法的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化，人們對(duì)石墨烯的應(yīng)用研究更是廣泛和深入。將石墨烯應(yīng)用于化學(xué)鍍領(lǐng)域中，能展現(xiàn)石墨烯與鍍覆金屬的雙重性能。

1 石墨烯在鎳磷化學(xué)復(fù)合鍍中的應(yīng)用

以石墨烯為基體，或以石墨烯作為增強(qiáng)相摻入，利用化學(xué)鍍鎳的技術(shù),即可制備鎳磷-石墨烯復(fù)合鍍材料[1-3]。據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道，研究石墨烯在化學(xué)鍍鎳中的應(yīng)用,主要有以下幾個(gè)方面：

1.1 防腐材料

石墨烯以其優(yōu)異的綜合性能、良好的化學(xué)惰性以及對(duì)腐蝕因素的物理隔離和屏蔽，在材料防腐蝕領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用[4]。紫銅被廣泛應(yīng)用在電子、機(jī)械和化工等行業(yè)，但其表面易被氧化，為了提高紫銅的耐蝕性能以適應(yīng)特殊環(huán)境下的使用，姚俊合等[5]在發(fā)明專利中，首先將濃硝酸、濃硫酸和石墨烯混合，加熱得到氧化石墨烯，然后把氧化石墨烯作為增強(qiáng)相，以600 mg/L的量配制鎳磷-石墨烯化學(xué)復(fù)合鍍鎳液，在pH值為5、溫度80 ℃下，對(duì)紫銅進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，制備了鎳磷-石墨烯復(fù)合鍍層，實(shí)施結(jié)果為紫銅表面的石墨烯顆粒分布均勻，復(fù)合鍍層的硬度和耐蝕性能比單純的鎳磷合金鍍層更優(yōu)異。盧民[6]在低碳鋼上進(jìn)行鎳磷-還原氧化石墨烯化學(xué)復(fù)合鍍，工藝條件為溫度(86±2)℃，超聲功率150 W，施鍍時(shí)間120 min，攪拌速度400 r/min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)添加的還原氧化石墨烯質(zhì)量濃度為 60 mg/L時(shí)，制得的復(fù)合鍍層為非晶結(jié)構(gòu)，硬度最高，耐腐蝕性能最好。沈岳軍等[7]以鋁合金為基體進(jìn)行鎳-石墨烯復(fù)合化學(xué)鍍，通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)得到了鎳-石墨烯復(fù)合化學(xué)鍍的最佳工藝條件，石墨烯添加量為120 mg/L，pH值為5.0，溫度為88 ℃，沉積速率為13.55 μm/h，在鎳-石墨烯復(fù)合鍍層中，石墨烯粒子分布均勻，鍍層的顯微硬度為497.82 HV，耐硝酸變色時(shí)間為65.27 s。盡管鈦合金具有較強(qiáng)的耐腐蝕性能，但是在強(qiáng)酸性等環(huán)境下，也無(wú)法滿足使用要求。高平平等[8]采用化學(xué)鍍鎳技術(shù)在鈦板表面獲得氧化石墨烯涂層，測(cè)試結(jié)果表明，復(fù)合涂層具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，可以屏蔽腐蝕液對(duì)鈦基體的腐蝕。

1.2 抗斷裂、耐磨材料

石墨烯憑借具有的力學(xué)特性，不光能成為高強(qiáng)度材料，同時(shí)還有很好的韌性，可以彎曲變形，在復(fù)合材料領(lǐng)域有很好的應(yīng)用。碳化鎢-鈷是一種高硬度、高耐磨硬質(zhì)合金，為了提高其斷裂韌性，許星星等[9]首先對(duì)石墨烯納米片表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳處理，然后讓表面已獲得一層包覆完整的納米鎳粒子的石墨烯，均勻地分散在碳化鎢-鈷粉末中，最后實(shí)施燒結(jié)工藝。當(dāng)鎳包覆石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%時(shí)，煅燒后的合金-石墨烯復(fù)合材料的裂韌性達(dá)到最大，有效發(fā)揮了石墨烯的拔出、裂紋橋接、裂紋偏轉(zhuǎn)以及裂紋分支等作用。劉洪光[10]首先利用化學(xué)鍍技術(shù)在石墨烯表面制備金屬鎳的鍍層，然后將仍保持片狀結(jié)構(gòu)的鍍鎳石墨烯與經(jīng)過(guò)噴霧造粒后的TiC0.7N0.3粉末進(jìn)行混合，采用大氣等離子噴涂技術(shù)制備了復(fù)合涂層，為此有效地解決了石墨烯在復(fù)合涂層制備過(guò)程中由于高溫而被熔化的問(wèn)題，使復(fù)合涂層達(dá)到了最佳的耐磨性能。張宇慧等[11]同樣為了解決石墨烯易團(tuán)聚、高溫易燒損等問(wèn)題，利用化學(xué)鍍鎳技術(shù)對(duì)石墨烯進(jìn)行表面金屬鎳修飾，然后通過(guò)等離子噴涂技術(shù)制備了NiCoCrAlY-石墨烯復(fù)合涂層，復(fù)合涂層主要由非晶和微晶態(tài)組成，孔洞與裂紋數(shù)量顯著減少。

45#鋼廣泛應(yīng)用于機(jī)械，但在某些環(huán)境中的耐磨性不夠理想，可以考慮應(yīng)用化學(xué)的方法改進(jìn)或提高其表面性質(zhì)以滿足某些特定環(huán)境中使用的需要[12]。劉建建等[13]采用化學(xué)復(fù)合鍍技術(shù)在45#鋼基體上鍍覆鎳磷-石墨復(fù)合鍍層，鍍層中的納米石墨與鎳磷晶胞結(jié)合在一起，在摩擦磨損試驗(yàn)中能起潤(rùn)滑作用。與鎳磷合金鍍層相比，鎳磷-石墨復(fù)合鍍層的耐磨性明顯提高。黃俊雄等[14]同樣采用化學(xué)鍍技術(shù)在45#鋼基體上鍍覆鎳磷-石墨烯復(fù)合鍍層，結(jié)果表明，所得復(fù)合鍍層為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，表面平整、均勻、致密，耐磨性最優(yōu)。

1.3 吸波材料

吸波材料是一類能吸收或者大幅減弱其表面接收到的電磁波能量，從而減少電磁波的干擾的一類材料，具有質(zhì)量輕、耐溫、抗腐蝕等性能，在日益重要的隱身和電磁兼容技術(shù)中，其作用和地位十分突出。

李國(guó)顯等[15]用化學(xué)鍍鎳方法制備石墨烯/鎳磁性納米復(fù)合材料，與石墨烯材料相比，經(jīng)化學(xué)鍍鎳后，材料的微波吸收性能大大提高。究其原因，一方面是由于石墨烯具有大的比表面積，有利于更多的鎳粒子的沉積，另一方面石墨薄片存在大量的彎曲和褶皺，這容易形成很多夾角，使電磁波可以經(jīng)過(guò)多次反射和吸收，從而使微波吸收性能增大。

方建軍等[16]利用化學(xué)鍍鎳技術(shù)在氧化石墨烯表面鍍上了均勻細(xì)小的鎳顆粒，并測(cè)試了鎳磷-石墨烯復(fù)合鍍層的磁學(xué)性能, 結(jié)果顯示，與未鍍鎳的石墨烯相比, 復(fù)合鍍層的吸波性有很大提高。李淑梅等[17]對(duì)石墨烯進(jìn)行堿性化學(xué)鍍鎳，制備了鎳包覆的石墨烯復(fù)合材料，結(jié)果表明，表面包覆了非晶態(tài)鎳磷合金的石墨烯，電阻率達(dá)到4.5064 mΩ·m，明顯優(yōu)于還原石墨烯的導(dǎo)電性，適合做電磁干擾材料。徐雙雙等[18]采用化學(xué)鍍鎳技術(shù)在還原氧化石墨烯表面均勻沉積金屬鎳納米顆粒，電磁參數(shù)測(cè)試結(jié)果顯示，鍍鎳石墨烯的電磁性能明顯提高，分析認(rèn)為優(yōu)異的電磁性能主要源自石墨烯與鐵磁性金屬鎳的電磁耦合作用，以及金屬鎳粒子納米尺寸效應(yīng)導(dǎo)致的多次散射與反射。

1.4 環(huán)保材料

在水污染處理領(lǐng)域，石墨烯可作為載體制備高性能催化劑，催化污水中重金屬的轉(zhuǎn)化；也可作為重復(fù)使用的吸附劑，吸附水中的重金屬及有機(jī)染料、溶劑及泄露的原油等[19]。潘艷飛等[20]以木質(zhì)纖維素為骨架，采用化學(xué)鍍鎳技術(shù)制備了理想的木質(zhì)纖維素基Ni-NiO/納米石墨烯圓筒狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，這種磁性多孔光催化材料可用在工業(yè)廢水的處理。吳家安等[21]在化學(xué)鍍鎳廢水溶液中，通過(guò)一種有效回收鎳的方法，制備了氧化石墨烯-鎳鋁/層狀雙金屬氫氧化物-碳纖維復(fù)合材料，并將該材料應(yīng)用于電吸附去除水中2,6-二氯苯酚，這種方法為化學(xué)鍍鎳廢液資源化處理提供了一條新途徑，具有較好的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1.5 其它材料

石墨烯是學(xué)術(shù)界公認(rèn)的最強(qiáng)最輕且導(dǎo)電性強(qiáng)的優(yōu)質(zhì)材料，在金屬基質(zhì)中引入石墨烯，性能會(huì)變得更強(qiáng)。美國(guó)研究人員Scott Muller和Arun Nair[22-23]建立了鎳-石墨烯納米復(fù)合材料的模型,并在鎳基體中對(duì)石墨烯進(jìn)行了結(jié)構(gòu)排列，發(fā)現(xiàn)鎳-石墨烯納米復(fù)合材料的變形率可比純鎳提高30%，把它應(yīng)用在輕質(zhì)柔性的可穿戴電子設(shè)備上，市場(chǎng)潛力很大?？党篬24]以尼龍紗線為模板，通過(guò)化學(xué)鍍鎳和后續(xù)高溫還原煅燒工藝, 制備多孔中空的泡沫鎳紗線，進(jìn)而利用該泡沫鎳紗線的毛細(xì)作用，吸附負(fù)載碳納米管和石墨烯等材料，構(gòu)建了超級(jí)電容器電極并組裝全固態(tài)柔性線狀器件，為高性能線狀集流體和電極的研制探索了新的途徑。

燃料電池的常用催化劑是鉑等貴金屬材料，如何尋找價(jià)廉易得的納米金屬材料催化劑，時(shí)亞南[25]利用化學(xué)鍍鎳技術(shù)在磺化石墨烯的表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沉積的納米鎳顆粒大小均勻，形貌規(guī)整，這種石墨烯納米鎳復(fù)合材料在常溫下可以有效地催化氧化甲醇、乙醇，有可能成為醇類燃料電池催化劑載體的首選材料。

氫能是公認(rèn)的清潔能源，作為低碳和零碳能源正在脫穎而出。姜媛媛等[26]通過(guò)化學(xué)鍍鎳技術(shù)制備了石墨烯負(fù)載的復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 此材料具有高電催化活性和穩(wěn)定性，從而為低成本、高效率的水氧化非貴金屬電催化劑的制備提供了一條新思路。

2 結(jié) 語(yǔ)

石墨烯在鎳磷化學(xué)復(fù)合鍍中的應(yīng)用研究，近些年來(lái)取得了一定進(jìn)展，但作為新型材料，石墨烯材料表面實(shí)施化學(xué)鍍鎳的工藝優(yōu)化，石墨烯作為增強(qiáng)相在基體中如何均勻分散，以及石墨烯的制備方法和質(zhì)量?jī)?yōu)劣等問(wèn)題，都是影響復(fù)合鍍層性能的因素，研究尚未形成完整的體系。未來(lái)的研究將是建立石墨烯在化學(xué)復(fù)合鍍中的理論體系，探索出成本低、鍍層厚度可控、能適用于工業(yè)化的鍍覆工藝。