靜電自組裝制備氧化石墨烯包覆銅粉研究

佘潔，陳友明，郭源君

（湖南科技大學(xué) 機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭 411201）

0 引言

銅是一種有良好導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能的金屬，其導(dǎo)電能力僅次于銀，被廣泛應(yīng)用在電力運(yùn)輸、電子行業(yè)、航空航天等方面[1-3]，但銅強(qiáng)度較低、易磨損，這使其應(yīng)用受到限制[4]。

石墨烯是由碳原子經(jīng)sp2雜化得到的蜂窩狀平面材料[4-5]，研究發(fā)現(xiàn)，其具有超高的比表面積（2630 m2/g）、高載流子遷移率（15 000 cm/（V·s））、高熱導(dǎo)率（5300 W/（m·K））、高彈性模量（1 TPa）[6-8]，石墨烯層間碳原子在范德華力作用下結(jié)合，層間剪切強(qiáng)度低，容易在力的作用下滑移，是在復(fù)合材料中充當(dāng)潤(rùn)滑相和增強(qiáng)相的絕佳選擇[9]。近年來(lái)石墨烯一直是研究熱點(diǎn)，但因自身比表面積超大，容易產(chǎn)生自發(fā)團(tuán)聚的傾向[10]。

石墨烯與銅的復(fù)合長(zhǎng)久以來(lái)一直存在著兩個(gè)難題[11-12]：1）石墨烯的密度（2.26 g/cm3）與銅的密度（8.9 g/cm3）差異大，不易混合均勻；2）石墨烯與銅之間的潤(rùn)濕角相差約140°，導(dǎo)致界面的結(jié)合力弱。

氧化石墨烯是由石墨經(jīng)強(qiáng)氧化劑氧化后逐層剝離得到的產(chǎn)物，其表面富含眾多含氧官能團(tuán)，如羥基、羧基、環(huán)氧基等。含氧官能團(tuán)的存在決定了氧化石墨烯相對(duì)石墨烯而言在溶劑（水、無(wú)水乙醇等）中具有更佳的分散性，可有效緩解石墨烯分散性，但石墨烯與銅界面結(jié)合力弱的問(wèn)題仍成為眾多學(xué)者亟待解決的難題，Zhao等[13]采用化學(xué)沉積方法將氧化石墨烯沉積到銅上，再進(jìn)一步氫氣還原成石墨烯，使得石墨烯與銅的結(jié)合強(qiáng)度提升。Zhai等[14]通過(guò)氣體霧化工藝獲得被氧化石墨烯包裹的銅顆粒。氧化石墨烯與銅結(jié)合修飾劑的使用至關(guān)重要，Gao等[15]利用十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）涂覆銅粉末與氧化石墨烯結(jié)合，發(fā)現(xiàn)可有效提高石墨烯與銅結(jié)合。離子液體同樣是一種優(yōu)良修飾劑，因不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)且室溫下完全以離子形式存在，可作為大多數(shù)反應(yīng)的溶劑。2017年，Lalitha等[16]研究離子液體各離子與石墨烯的界面能，指出離子液體通過(guò)陽(yáng)離子甲基與石墨烯作用。目前，針對(duì)氧化石墨烯與銅粉結(jié)合修飾劑主要采用CTAB，而離子液體作為修飾劑研究報(bào)道較少。

本文中利用靜電作用將經(jīng)表面改性后帶正電荷的銅粉與帶負(fù)電荷的氧化石墨烯自動(dòng)組裝得到氧化石墨烯包覆銅粉。采用3種修飾劑（十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體）分別對(duì)銅粉進(jìn)行表面改性，研究氧化石墨烯對(duì)銅粉包覆的效果，并進(jìn)一步研究不同含量下修飾劑處理后氧化石墨烯包覆銅粉效果及復(fù)合粉末熱穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)用品

主要試劑包括：氧化石墨烯（2 mg/mL，蘇州碳豐石墨烯科技有限公司生產(chǎn)）、無(wú)水乙醇、CTAB、純銅粉（純度99.999%，河北因科合金材料有限公司生產(chǎn)），離子液體（1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體，阿拉丁試劑（上海）有限公司生產(chǎn)）。

1.2 包覆工藝

以靜電相互作用為基礎(chǔ)，將經(jīng)修飾劑改性后帶正電荷的銅粉與帶負(fù)電荷的氧化石墨烯自動(dòng)組裝，得到氧化石墨烯包覆銅粉，工藝原理如圖1所示。

圖1 氧化石墨烯包覆銅粉原理圖

1.2.1 CTAB修飾

1）采用OHAUS型號(hào)電子分析天平稱(chēng)取1 g的CTAB粉末，加入到100 mL去離子水中，利用DF101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器加熱持續(xù)攪拌至粉末溶解，溶液澄清，加入40 g銅粉，在KQ600型號(hào)超聲波清洗器中超聲振動(dòng)攪拌30 min，過(guò)濾，放入真空干燥箱中干燥8 h，保溫溫度為60 ℃，得到經(jīng)CTAB修飾的銅粉。

2）取100 mL濃度為2 mg/mL的氧化石墨烯水溶液，超聲攪拌30 min，將經(jīng)修飾后的銅粉緩慢加入并持續(xù)攪拌至出現(xiàn)絮凝狀物質(zhì)，靜置10 min左右，出現(xiàn)分層，如圖2所示，過(guò)濾取下層物質(zhì)放真空干燥箱干燥8 h，保溫溫度為60 ℃，得到氧化石墨烯包覆銅粉粉末。

1.2.2 離子液體修飾

稱(chēng)量若干銅粉放于燒杯中，向其中分別滴加1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體，銅粉和離子液體用量如表1所示。氧化石墨烯溶液與不同修飾劑修飾后溶液現(xiàn)象如圖2所示。

圖2 不同修飾劑修飾后包覆現(xiàn)象

表1 銅粉與離子液體用量

令取適量銅粉滴加不同離子液體（1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體）至粉末濕潤(rùn)。重復(fù)1.2.1節(jié)的第2）步，得到氧化石墨烯包覆銅粉。

1.3 測(cè)試與表征

采用泰斯肯MAIA3掃描電子顯微鏡（配備能譜儀）觀察氧化石墨烯包覆銅粉微觀形貌與元素分析，采用JEM-2100透射電子顯微鏡表征氧化石墨烯與銅粉的結(jié)合情況，采用日本理學(xué)X射線衍射儀進(jìn)行GO/Cu物相分析，采用耐馳TGA209F1進(jìn)行GO/Cu熱穩(wěn)定性分析，從25 ℃升溫至800 ℃，升溫速率為10 ℃/min，Ar氣氛，采用賽默飛Is-50進(jìn)行GO/Cu官能團(tuán)分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 物相分析

以不同修飾劑修飾銅粉后的GO/Cu復(fù)合粉末與銅粉XRD如圖3所示。由圖3看出，在包覆工藝中銅粉并未被氧化，且氧化石墨烯未與銅發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，兩者的復(fù)合為物理結(jié)合。銅粉擁有3個(gè)特征峰，2θ依次為43.3°、50.4°、74.1°，所對(duì)應(yīng)的晶面指數(shù)為（111）、（200）、（220），符合銅面心立方的結(jié)構(gòu)特征。由布拉格方程可知銅的晶面間距為0.21 nm，并未檢測(cè)到氧化石墨烯特征峰，這可能是由于氧化石墨烯的含量很少。

圖3 修飾后GO/Cu粉末與Cu粉XRD圖

2.2 元素分析

圖4為用1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體修飾后氧化石墨烯包覆銅粉的EDS，從圖4中可以看出碳元素分布在銅粉表面，表明氧化石墨烯已經(jīng)成功包覆在銅粉的表面，表2中顯示碳原子含量較高，表明氧化石墨烯成功包覆在銅粉表面，且含量較高。

圖4 氧化石墨烯包覆銅粉能譜圖

表2 元素原子比

2.3 氧化石墨烯/銅復(fù)合粉末形貌

2.3.1 修飾劑類(lèi)型

圖5為不同修飾劑修飾后GO/Cu復(fù)合粉末微觀形貌。由圖5可知，銅粉的粒徑大多處于15～25 μm，氧化石墨烯成功包覆在銅粉表面，這主要原因可能是銅粉經(jīng)過(guò)修飾劑改性之后使得銅粉表面攜帶正電荷，而氧化石墨烯自身帶負(fù)電荷，兩者在正負(fù)電荷的作用下結(jié)合。圖5（b）、圖5（d）、圖5（f）分別為氧化石墨烯包覆銅粉高倍圖：圖5（b）中銅粉表面雖有氧化石墨烯包覆，但團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重；圖5（d）中銅粉表面包覆的氧化石墨烯團(tuán)聚現(xiàn)象減弱，但仍明顯存在；圖5（f）中氧化石墨烯包覆在銅粉表面且分布均勻，團(tuán)聚現(xiàn)象不明顯，與圖4中EDS一致。故可知：經(jīng)1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體修飾后包覆效果最佳，CTAB次之，1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體最差。這可能是因?yàn)樾揎椇蟮你~粉與氧化石墨烯所造成的作用力差異不同，1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體中咪唑環(huán)可與氧化石墨烯通過(guò)環(huán)氧基開(kāi)環(huán)連接[17]，此外陽(yáng)離子與氧化石墨烯π電子距離較短所產(chǎn)生的靜電力可克服氧化石墨烯間的范德華力與ππ電子堆積產(chǎn)生的作用力，導(dǎo)致氧化石墨烯均勻包覆在銅粉表面而鮮少出現(xiàn)團(tuán)聚；CTAB修飾后的銅粉憑借正負(fù)電荷的吸引力可克服氧化石墨烯間的作用力但不足以讓氧化石墨烯均勻分散，使得氧化石墨烯成功包覆卻仍有團(tuán)聚，1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體相對(duì)于1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體，其與氧化石墨烯吸附能小，導(dǎo)致陽(yáng)離子與π電子的作用力小，難以克服氧化石墨烯間產(chǎn)生的作用力，且其具有疏水性，不利于氧化石墨烯在溶劑中分散，故而團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重，僅有少量包覆成功。

圖5 不同修飾劑修飾后GO/Cu復(fù)合粉末形貌

2.3.2 不同修飾劑含量

圖6 為1-丁基-3-甲基-四氟硼酸鹽離子液體以不同比例分別對(duì)銅粉修飾后的包覆形貌，圖6（b）、圖6（d）、圖6（f）、圖6（h）、圖6（i）為氧化石墨烯包覆銅粉高倍下的形貌。由圖6（a）～圖6（i）可知，隨著離子液體與銅粉的比例降低，當(dāng)加入1.5 mL離子液體時(shí)，氧化石墨烯包覆效果最佳，并未發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯出現(xiàn)明顯團(tuán)聚，氧化石墨烯彌散分布在銅粉的表面及周?chē)?，如圖6（g）、圖6（h）所示。而當(dāng)離子液體用量過(guò)多或過(guò)少修飾銅粉時(shí)，氧化石墨烯包覆銅粉效果不佳，包覆的量少，這主要與離子液體自身的性質(zhì)及用量有關(guān)。氧化石墨烯包覆銅粉主要是靠離子液體中陽(yáng)離子與氧化石墨烯中負(fù)電荷通過(guò)靜電吸引產(chǎn)生的作用力來(lái)克服致使氧化石墨烯團(tuán)聚的作用力（范德華力、π—π電子堆積作用力等）。當(dāng)加入6 mL離子液體時(shí)，離子液體含量過(guò)高，除修飾銅粉外還會(huì)在銅粉周?chē)椴?，而離子液體自身具有正電荷，會(huì)自發(fā)吸附周?chē)趸?，致使氧化石墨烯被銅粉周?chē)x子液體吸引，故銅粉表面可吸附氧化石墨烯少，部分銅粉為裸露狀態(tài)，如圖6（a）、圖6（b）所示；隨著離子液體含量減少，銅粉周?chē)鶕碛械碾x子液體降低，滴加1.5 mL 離子液體氧化石墨烯包覆效果達(dá)到最佳；當(dāng)離子液體含量為1 mL時(shí)，離子液體的量不足以將全部銅粉潤(rùn)濕，僅部分銅粉表面得到離子液體改性，氧化石墨烯主要吸附在改性過(guò)后銅粉表面，造成局部團(tuán)聚，更多銅粉表面并未被氧化石墨烯包裹，呈現(xiàn)為裸露狀態(tài)，如圖6（i）、圖6（j）所示，故1.5 mL為最佳離子液體修飾銅粉用量。

圖6 不同修飾劑含量氧化石墨烯包覆銅粉形貌

2.4 GO/Cu 微觀結(jié)構(gòu)表征

圖7為氧化石墨烯對(duì)不同粒徑銅粉包覆的TEM，圖7（a）、圖7（c）顯示出氧化石墨烯呈現(xiàn)薄片卷曲狀，層數(shù)少，氧化石墨烯包覆在銅的周?chē)B續(xù)，表明此工藝可實(shí)現(xiàn)不同粒徑粉末包覆，從圖7（d）中可知氧化石墨烯與銅結(jié)合緊密，銅晶面間距約為0.21 nm，與XRD結(jié)果一致。

圖7 氧化石墨烯包覆不同粒徑Cu微觀結(jié)構(gòu)

2.5 熱穩(wěn)定性

圖8為銅粉與氧化石墨烯包覆銅粉熱重曲線。從圖8中可知，純銅約246.89 ℃開(kāi)始增重，這可能由于銅粉開(kāi)始發(fā)生氧化。銅粉氧化速度較為緩慢，當(dāng)溫度達(dá)到700 ℃時(shí)，僅增重0.77%。氧化石墨烯包覆銅粉熱重曲線隨溫度升高表現(xiàn)為“持續(xù)下降”的趨勢(shì)，當(dāng)溫度達(dá)到700 ℃時(shí)，總減重為0.45%。

圖8 銅粉與氧化石墨烯包覆銅粉熱重曲線

氧化石墨烯包覆銅粉熱重曲線表現(xiàn)為“持續(xù)下降”的趨勢(shì)，這主要與復(fù)合粉末表面吸附水的去除、氧化石墨烯還原分解轉(zhuǎn)化為石墨烯及離子液體分解與銅粉氧化相關(guān)。首先在低溫階段（小于246.89 ℃）粉末中結(jié)合水隨溫度的升高發(fā)生蒸發(fā)，隨后氧化石墨烯表面含氧基團(tuán)分解，開(kāi)始向石墨烯轉(zhuǎn)化，而后離子液體逐漸分解。有研究表明，當(dāng)溫度達(dá)到185 ℃時(shí)，氧化石墨烯表面含氧官能團(tuán)開(kāi)始分解，離子液體在235 ℃時(shí)開(kāi)始分解[17-18]。銅粉在低溫階段氧化速度緩慢，由銅粉熱重曲線可知，在低溫階段銅粉幾乎不發(fā)生氧化，分解的量大于銅粉氧化的量，故而總體表現(xiàn)為降低。當(dāng)溫度超過(guò)246.89 ℃時(shí)，隨著溫度升高，銅粉氧化的速度逐漸增加，復(fù)合粉末中結(jié)合水雖已基本去除，但氧化石墨烯與離子液體仍可持續(xù)分解，并且隨著氧化石墨烯逐漸向石墨烯轉(zhuǎn)化，銅粉表面包覆的石墨烯有助于阻擋氧分子與銅粉接觸，抑制銅粉氧化現(xiàn)象發(fā)生。石墨烯作為一種碳材料，本身具備還原性，當(dāng)銅粉表面發(fā)生一定程度的氧化時(shí)，被氧化后的銅粉有可能再次被石墨烯還原，故氧化石墨烯包覆銅粉質(zhì)量隨著溫度的不斷升高而持續(xù)下降。

2.6 官能團(tuán)

圖9為氧化石墨烯包覆銅粉熱還原前后FT-IR光譜。熱還原前的粉末圖中存在5處較為明顯的特征峰，在3436 cm-1出現(xiàn)O-H伸縮振動(dòng)[19]，1627 cm-1出現(xiàn)未被氧化的sp2雜化C=C伸縮振動(dòng)[20-21]，1561 cm-1出現(xiàn)羧基的C=O伸縮振動(dòng)[22]、1455 cm-1出現(xiàn)C—OH伸縮振動(dòng)[23]與1080 cm-1出現(xiàn)環(huán)氧基的C—O伸縮振動(dòng)[24]。官能團(tuán)特征峰的出現(xiàn)表明氧化石墨烯中含氧官能團(tuán)主要由羥基、羧基與環(huán)氧基等3種組成。熱還原后，氧化石墨烯包覆銅復(fù)合粉末中C=O、C-OH、CO對(duì)應(yīng)的峰消失，但在波長(zhǎng)為617 cm-1處出現(xiàn)強(qiáng)烈的Cu-O-Cu官能團(tuán)的峰，表明GO在溫度上升的過(guò)程可成功轉(zhuǎn)化為石墨烯。

圖9 氧化石墨烯包覆銅粉FT-IR光譜

3 結(jié)論

1）氧化石墨烯成功包覆在經(jīng)修飾劑修飾后的銅粉表面，且1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體修飾后包覆效果最佳，CTAB次之，1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體最差。2）當(dāng)?shù)稳?.5 mL的1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體離子液體時(shí)（銅粉60 g），氧化石墨烯的包覆效果最好，可均勻分散在銅粉表面。3）氧化石墨烯隨著溫度升高可轉(zhuǎn)化為石墨烯。