石墨烯等离子体处理提高分散性能-plasma treatment

石墨烯是一种由单层碳原子以六边形晶格排列构成的二维材料,其独特结构赋予它一系列突破性的物理化学特性。石墨烯本身虽然有较为优良的结构,但其表面基本没有亲水基团,且其密度极小、比表面积大,从而导致石墨烯亲水性和水分散性较差。为改善石墨烯在液体中的分散状态，需要对其表面进行改性处理。目前对石墨烯改性的方法主要以等离子体改性和化学试剂改性为主,改变石墨烯的物理结构或实现元素掺杂,对其相关性能做出调控,以满足工程应用的要求。

等离子体处理

等离子体是物质的一种状态,与固体、液体以及气体类似,也被称作物质的第四态。当气体受到充分的能量作用时,其会转变为等离子状态。等离子体中的活性成分包括:高速运动的电子、激活的中子、以及自由基、离子化原子分子等。未经反应的原子分子,其电性特征表现为完全中性。由于等离子体中的高活性带电粒子,使得等离子体处理成为改变材料表面特征的一种有效方法。此外,这种处理方式过程控制较为简单,环保经济。通过等离子体处理可以引入新的官能团,使得材料有更好的表面活性。

氧等离子体处理通过引入新的含氧官能团,可以将材料化学功能化。以前许多学者的研究表明,通过氧等离子处理可以改善各种碳材料(如SWCNT、MWCNT、GNPs等)的分散性与电催化活性。氧原子与碳原子的反应后,通常会引入新的含氧官能团,并且通过蚀刻反应去除材料最外层的碳原子。

通过低温等离子体处理,物体表面可以形成三种基团:C=O羰基、−COOH羧基和−OH羟基。这些特殊的化合物可以提供良好的亲水性,并且在粘合和涂层方面发挥着重要的作用。等离子体处理的示意图如图1所示。

图1 等离子体处理过程

等离子体处理前后石墨烯在水中的分散性对比

为了表征GNPs的表面活性,将等离子体处理前后的GNPs分别加入水中,以观察其分散情况。GNPs等离子体处理前后在水中的分散性如图2所示。图2(a)表示未处理的GNPs在水中的分散性,从图中可以看出GNPs漂浮在水面,不易分散在水中。图2(b)表示等离子体处理后的GNPs,在水中的分散性得到了极大的改善。等离子处理的GNPs的分散性的改善可以归因于O2离子轰击使GNPs分子键断裂,并且通过功能化修饰引入了丰富的含氧官能团,如羟基(-OH)、羧基(-COOH)、羰基(C=O)以及环氧基(C-O-C)等。这些基团改变了碳原子的杂化状态,轻微扭曲了石墨烯的晶格结构,使其产生畸变,性能也发生了显著变化。羟基和羧基等含氧基团能够与水分子形成氢键,这种作用机制使石墨烯在水相介质中表现出良好的分散性,能够形成长期稳定的胶体溶液。

图2 石墨烯等离子体处理前后在水中的分散性