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石墨烯氣凝膠是具有大比表面積、密度輕、良好導(dǎo)電性和優(yōu)異機(jī)械性能的三維多孔結(jié)構(gòu)的新型材料。在超級(jí)電容、水處理、傳感器、熱界面材料等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。石墨烯氣凝膠由石墨烯構(gòu)成,二維石墨烯是由碳原子按照蜂窩結(jié)構(gòu)連接在一起形成的二維材料,如圖1-1所示。二維石墨烯在光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)等方面具有優(yōu)異的性質(zhì)。但在實(shí)際應(yīng)用中,二維石墨烯為層狀堆疊結(jié)構(gòu),片層間存在較大范德華力,使二維石墨烯團(tuán)聚,大大降低了石墨烯與溶液的接觸面積,導(dǎo)致石墨烯無(wú)法發(fā)揮其最大效力,極大的限制了其實(shí)際應(yīng)用。因此,可將二維石墨烯構(gòu)建成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),形成的三維石墨烯氣凝膠不僅保留二維石墨烯優(yōu)異性能,而且可以避免層間過(guò)度堆疊,還增大了比表面積和孔隙率,如圖1-2所示。三維石墨烯氣凝膠具有豐富的多孔性、優(yōu)異的柔韌性和靈活的層壓性等優(yōu)點(diǎn),被應(yīng)用于電子皮膚、傳感器等方面。

石墨烯氣凝膠主要是由二維石墨烯通過(guò)原位組裝法、模板法、化學(xué)交聯(lián)法和3D打印等方法制成,但經(jīng)過(guò)研究這些傳統(tǒng)的石墨烯氣凝膠的制備方法都存在著一些不同的缺陷。因此需要一種更合適的材料處理技術(shù)對(duì)石墨烯氣凝膠材料進(jìn)行制備。而等離子體是一種具有一定能量分布的電子、離子和中性粒子的電離氣態(tài)物質(zhì),它能夠與材料表面發(fā)生作用,將自身的能量傳遞給材料表面的分子和原子,產(chǎn)生一系列的物理和化學(xué)過(guò)程,并且能夠根據(jù)材料不同的物理和化學(xué)結(jié)構(gòu),有選擇性的分解和重組化學(xué)鍵,在化學(xué)鍵的斷裂與重組過(guò)程中可能會(huì)引入一些新的官能團(tuán),在這些反應(yīng)過(guò)程的作用下,材料的表面形貌和物理、化學(xué)形貌都有可能會(huì)發(fā)生改變,從而改變材料的表面性能,是一種非常優(yōu)異的材料處理技術(shù)。

等離子體概述

自然界中物質(zhì)多以固、液、氣和三態(tài)存在,但宇宙中以等離子體形式存在的物質(zhì)居多。物質(zhì)的這幾種形態(tài)可發(fā)生轉(zhuǎn)換,給固態(tài)物質(zhì)提供能量可使粒子間距增大,從而可轉(zhuǎn)化成液態(tài)。當(dāng)持續(xù)提供能量時(shí),液態(tài)物質(zhì)即會(huì)轉(zhuǎn)變成氣態(tài)。如果對(duì)氣態(tài)物質(zhì)施加足夠的電能,氣體分子核外的電子在電場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)化為自由電子,并被電場(chǎng)激發(fā),這些自由電子移動(dòng),與氣態(tài)物質(zhì)的分子、原子碰撞并電離,產(chǎn)生活性粒子,如離子和電子,這種帶正電和負(fù)電粒子的混合物被稱為等離子體。

等離子體中存在著大量且種類繁多的活性粒子,與通常的化學(xué)反應(yīng)相比,等離子體技術(shù)具有溫度低、化學(xué)活性高、可控性好、表面處理操作簡(jiǎn)單、成本低廉、無(wú)廢棄物及無(wú)污染等顯著優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)利用氣體放電產(chǎn)生的等離子體中含有的具有一定能量分布的電子、離子和中性粒子等活性粒子與材料表面發(fā)生作用,將自身的能量傳遞給材料表面的分子和原子,產(chǎn)生一系列的物理和化學(xué)過(guò)程,且能夠根據(jù)材料不同的物理和化學(xué)結(jié)構(gòu),有選擇性的分解和重組化學(xué)鍵,在化學(xué)鍵的斷裂與重組過(guò)程中可能會(huì)引入一些新的官能團(tuán),在這些反應(yīng)過(guò)程的作用下,材料的表面形貌和物理、化學(xué)形貌都有可能會(huì)發(fā)生改變,賦予被處理材料獨(dú)特的功能性。

等離子處理改善石墨烯氣凝膠的親水性

氧等離子體處理石墨烯氣凝膠

氧等離子體處理過(guò)程中，高能氧離子與石墨烯氣凝膠表面發(fā)生反應(yīng)，引入大量的含氧官能團(tuán)，如羥基（-OH）、羧基（-COOH）和羰基（-C=O）等。這些官能團(tuán)增加了材料表面的極性，從而提高了親水性。由于增加了含氧官能團(tuán)原本性質(zhì)不活躍的石墨烯變成性質(zhì)活躍的氧化石墨烯,表現(xiàn)在物理方面就是氧化石墨烯相比石墨烯具有良好的溶液分散性、良好的化學(xué)活性、絕緣性以及熒光效應(yīng)等。