石墨烯气凝胶是具有大比表面积、密度轻、良好导电性和优异机械性能的三维多孔结构的新型材料。在超级电容、水处理、传感器、热界面材料等领域有着重要的应用前景。石墨烯气凝胶由石墨烯构成,二维石墨烯是由碳原子按照蜂窝结构连接在一起形成的二维材料,如图1-1所示。二维石墨烯在光学、电学、力学等方面具有优异的性质。但在实际应用中,二维石墨烯为层状堆叠结构,片层间存在较大范德华力,使二维石墨烯团聚,大大降低了石墨烯与溶液的接触面积,导致石墨烯无法发挥其最大效力,极大的限制了其实际应用。因此,可将二维石墨烯构建成三维网络结构,形成的三维石墨烯气凝胶不仅保留二维石墨烯优异性能,而且可以避免层间过度堆叠,还增大了比表面积和孔隙率,如图1-2所示。三维石墨烯气凝胶具有丰富的多孔性、优异的柔韧性和灵活的层压性等优点,被应用于电子皮肤、传感器等方面。

石墨烯气凝胶主要是由二维石墨烯通过原位组装法、模板法、化学交联法和3D打印等方法制成,但经过研究这些传统的石墨烯气凝胶的制备方法都存在着一些不同的缺陷。因此需要一种更合适的材料处理技术对石墨烯气凝胶材料进行制备。而等离子体是一种具有一定能量分布的电子、离子和中性粒子的电离气态物质,它能够与材料表面发生作用,将自身的能量传递给材料表面的分子和原子,产生一系列的物理和化学过程,并且能够根据材料不同的物理和化学结构,有选择性的分解和重组化学键,在化学键的断裂与重组过程中可能会引入一些新的官能团,在这些反应过程的作用下,材料的表面形貌和物理、化学形貌都有可能会发生改变,从而改变材料的表面性能,是一种非常优异的材料处理技术。

等离子体概述

自然界中物质多以固、液、气和三态存在,但宇宙中以等离子体形式存在的物质居多。物质的这几种形态可发生转换,给固态物质提供能量可使粒子间距增大,从而可转化成液态。当持续提供能量时,液态物质即会转变成气态。如果对气态物质施加足够的电能,气体分子核外的电子在电场的作用下转化为自由电子,并被电场激发,这些自由电子移动,与气态物质的分子、原子碰撞并电离,产生活性粒子,如离子和电子,这种带正电和负电粒子的混合物被称为等离子体。

等离子体中存在着大量且种类繁多的活性粒子,与通常的化学反应相比,等离子体技术具有温度低、化学活性高、可控性好、表面处理操作简单、成本低廉、无废弃物及无污染等显著优点。该技术利用气体放电产生的等离子体中含有的具有一定能量分布的电子、离子和中性粒子等活性粒子与材料表面发生作用,将自身的能量传递给材料表面的分子和原子,产生一系列的物理和化学过程,且能够根据材料不同的物理和化学结构,有选择性的分解和重组化学键,在化学键的断裂与重组过程中可能会引入一些新的官能团,在这些反应过程的作用下,材料的表面形貌和物理、化学形貌都有可能会发生改变,赋予被处理材料独特的功能性。

等离子处理改善石墨烯气凝胶的亲水性

氧等离子体处理石墨烯气凝胶

氧等离子体处理过程中，高能氧离子与石墨烯气凝胶表面发生反应，引入大量的含氧官能团，如羟基（-OH）、羧基（-COOH）和羰基（-C=O）等。这些官能团增加了材料表面的极性，从而提高了亲水性。由于增加了含氧官能团原本性质不活跃的石墨烯变成性质活跃的氧化石墨烯,表现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、良好的化学活性、绝缘性以及荧光效应等。