《Carbon》：利用電泳沉積和光子燒結系統還原氧化石墨烯電極

發(fā)布日期：2023-06-13瀏覽次數：705

背景：

石墨烯是一種以蜂窩排列的二維碳原子，是一種引人注目的材料，具有許多令人興奮的特性，如機械強度，導熱性和導電性，有趣的光學特性等。石墨烯是激烈研發(fā)的重點，但其相對較高的價格是目前的障礙。氧化石墨烯是石墨烯的一種形式，其包括氧官能團，并且具有可以與石墨烯不同的有趣特性。通過還原氧化石墨烯，去除這些氧化的官能團，以獲得石墨烯材料。該石墨烯材料被稱為還原氧化石墨烯，通常縮寫為rGO。由于正在集中尋求有效且廉價的制造石墨烯（或密切相關的材料，例如rGO）的方法，因此將氧化石墨烯（或氧化石墨）還原為rGO是流行且有吸引力的。

文獻介紹：

本文研究了了利用電泳沉積(EPD)和光子燒結在銅上形成 rGO 膜的方法。

首先，利用自備氧化石墨烯分散體，采用電泳沉積技術，進行薄膜沉積。為了獲得導電性，報道了各種方法來減少氧化石墨烯。簡單地說，通過聯氨進行化學還原是一種廣泛使用的方法;然而，由于反應產生有毒蒸氣和危險副產物，它是不安全的。除化學還原外，還有熱退火、微波還原、電化學還原、溶劑熱還原等方法。這些還原途徑存在局限性，例如，使用有限的襯底、復雜的儀器和工藝、不可擴展性、高成本和獲得的還原氧化石墨烯質量差。

因此，為了克服上述限制，光熱還原有望減少氧化石墨烯，因為碳材料通過振動激發(fā)將光能高效地轉化為熱能。從機理上講，光能轉化為熱能導致氧化石墨烯層加熱，導致脫氧反應，形成多孔導電的還原氧化石墨烯膜。通過這種方法，甚至可以在柔性、低溫基材(如PET 和紙張)上獲得還原氧化石墨烯薄膜。2009 年，Cote等人首次報道了使用光子燒結系統對獨立的氧化石墨烯/聚苯乙烯復合薄膜進行還原和定影。Park等也采用光子燒結系統減少獨立氧化石墨烯膜。該技術提供了比激光還原過程更快速和有效的大面積氧化石墨烯膜的還原。它還允許在室溫下進行可調的還原。

結構研究、x射線衍射（XRD）、拉曼、紅外和 x 射線光電子能譜(XPS)驗證了氧化石墨烯向還原氧化石墨烯的轉化。場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)和布魯瑙爾-埃米特-泰勒(BET)吸附測量結果表明，還原氧化石墨烯薄膜具有儲能器件的針對性。循環(huán)伏安法(CV)證實了還原氧化石墨烯膜的比表面積、孔隙率和電導率的增強。

文獻中光子燒結部分：

為了通過去除氧基基團來恢復GO薄膜的導電性，光子燒結已成為一種有吸引力的選擇。與石墨烯相反，由于其獨特的原子結構，氧化石墨烯可以吸收近紫外線(UV)、可見光和近紅外(NIR)輻射。GO中的混合結構域(未氧化的sp2碳和氧化的 sp32碳)使其具有非均相電子結構和非線性光學性質。因此，當暴露在氙燈的長波長(200 - 1500nm)下時，GO薄膜吸收足夠的光能來產生熱量進行還原。在機械層面上，由于GO的熱質量低、導熱性差，將光能轉化為熱能會導致薄膜溫度的快速升高。溫度的突然升高會局部加熱薄膜，引發(fā)脫氧反應(將含氧基團轉化為氣態(tài)副產物)，并導致體積龐大、蓬松的碳結構。

此外，GO膜的厚度和密度在還原過程中也起著重要作用。在光子燒結中，突出的光熱還原發(fā)生在薄膜的頂表面；因此，頂部的局部加熱誘導最高溫度，該溫度向襯底呈指數下降。薄膜在長時間暴露于高脈沖能量下時，會迅速將熱量傳遞到薄膜和襯底界面，從而導致薄膜分離和襯底翹曲。另一方面，相同還原參數的厚膜可以防止熱量傳遞到薄膜和襯底界面。熱擴散隨著薄膜厚度的增加而減少，從而避免了薄膜從基片上脫落。因此，GO薄膜的厚度是避免薄膜脫離和襯底翹曲的重要參數。同時，GO膜的密度是優(yōu)化還原參數的關鍵。通過報道的工作，發(fā)現具有空隙的低密度膜(高孔隙率)即使在低脈沖能量下也容易點燃。然而，高密度薄膜緊密堆積，沒有空隙，需要高脈沖能量或重復/多次閃光來啟動脫氧反應。這是因為具有高光帶隙的未還原GO將作為光子吸收的屏障。然而，薄膜的還原部分(rGO)具有較低的光帶隙，隨著脈沖能量的增加，光子吸收和光熱轉換增加。因此，更高的脈沖能量和脈沖數會由于產生過多的熱量并將其傳遞到薄膜和襯底界面而引起薄膜的燃燒和分離。因此，為了實現rGO膜的有效轉化和結構完整性，我們將脈沖能量從1j/cm2變化到10j/cm2，并觀察了脈沖能量的影響。此外，光子燒結系統與薄膜之間的距離也是還原的關鍵參數。在燃燒薄膜的同時，較小的距離可以在低脈沖能量下實現完全的還原；然而，增加距離可能不會啟動脫氧過程。在這項工作中，我們將薄膜與光子燒結系統之間的距離固定為10mm。

文獻結論：

電泳沉積和光子燒結相結合是一種有效的技術，可以在任何導電表面形成襯底完整的還原氧化石墨烯膜。通過光子燒結還原可以實現大面積轉換，這對提高石墨烯基印刷電子產品的可擴展性非常有利。通過這種技術，還原可以在室溫下進行，并且還原的程度是可控的。通過這項工作的觀察結果是:(i) EPD 產生連續(xù)、均勻和致密的氧化石墨烯膜，(ii)更高的脈沖能量可以實現完全還原，(iii)優(yōu)化光學參數對于在銅上形成完整的氧化石墨烯膜是必不可少的，(iv)脫氧反應導致高多孔性和導電性的氧化石墨烯膜。此外，發(fā)現在2 mVs^-1下的比電容為475.8Fg^-1，這有希望使用銅上的氧化石墨烯薄膜作為電容式電荷存儲裝置的電極。因此，該工藝能夠在幾毫秒內快速、環(huán)保地生產化學穩(wěn)定的氧化石墨烯薄膜，可以顯著滿足超級電容器對石墨烯基電極日益增長的需求。