《Carbon》：利用电泳沉积和光子烧结系统还原氧化石墨烯电极

发布日期：2023-06-13浏览次数：1001

背景：

石墨烯是一种以蜂窝排列的二维碳原子，是一种引人注目的材料，具有许多令人兴奋的特性，如机械强度，导热性和导电性，有趣的光学特性等。石墨烯是激烈研发的重点，但其相对较高的价格是目前的障碍。氧化石墨烯是石墨烯的一种形式，其包括氧官能团，并且具有可以与石墨烯不同的有趣特性。通过还原氧化石墨烯，去除这些氧化的官能团，以获得石墨烯材料。该石墨烯材料被称为还原氧化石墨烯，通常缩写为rGO。由于正在集中寻求有效且廉价的制造石墨烯（或密切相关的材料，例如rGO）的方法，因此将氧化石墨烯（或氧化石墨）还原为rGO是流行且有吸引力的。

文献介绍：

本文研究了了利用电泳沉积(EPD)和光子烧结在铜上形成 rGO 膜的方法。

首先，利用自备氧化石墨烯分散体，采用电泳沉积技术，进行薄膜沉积。为了获得导电性，报道了各种方法来减少氧化石墨烯。简单地说，通过联氨进行化学还原是一种广泛使用的方法;然而，由于反应产生有毒蒸气和危险副产物，它是不安全的。除化学还原外，还有热退火、微波还原、电化学还原、溶剂热还原等方法。这些还原途径存在局限性，例如，使用有限的衬底、复杂的仪器和工艺、不可扩展性、高成本和获得的还原氧化石墨烯质量差。

因此，为了克服上述限制，光热还原有望减少氧化石墨烯，因为碳材料通过振动激发将光能高效地转化为热能。从机理上讲，光能转化为热能导致氧化石墨烯层加热，导致脱氧反应，形成多孔导电的还原氧化石墨烯膜。通过这种方法，甚至可以在柔性、低温基材(如PET 和纸张)上获得还原氧化石墨烯薄膜。2009 年，Cote等人首次报道了使用光子烧结系统对独立的氧化石墨烯/聚苯乙烯复合薄膜进行还原和定影。Park等也采用光子烧结系统减少独立氧化石墨烯膜。该技术提供了比激光还原过程更快速和有效的大面积氧化石墨烯膜的还原。它还允许在室温下进行可调的还原。

结构研究、x射线衍射（XRD）、拉曼、红外和 x 射线光电子能谱(XPS)验证了氧化石墨烯向还原氧化石墨烯的转化。场发射扫描电镜(FESEM)和布鲁瑙尔-埃米特-泰勒(BET)吸附测量结果表明，还原氧化石墨烯薄膜具有储能器件的针对性。循环伏安法(CV)证实了还原氧化石墨烯膜的比表面积、孔隙率和电导率的增强。

文献中光子烧结部分：

为了通过去除氧基基团来恢复GO薄膜的导电性，光子烧结已成为一种有吸引力的选择。与石墨烯相反，由于其独特的原子结构，氧化石墨烯可以吸收近紫外线(UV)、可见光和近红外(NIR)辐射。GO中的混合结构域(未氧化的sp2碳和氧化的 sp32碳)使其具有非均相电子结构和非线性光学性质。因此，当暴露在氙灯的长波长(200 - 1500nm)下时，GO薄膜吸收足够的光能来产生热量进行还原。在机械层面上，由于GO的热质量低、导热性差，将光能转化为热能会导致薄膜温度的快速升高。温度的突然升高会局部加热薄膜，引发脱氧反应(将含氧基团转化为气态副产物)，并导致体积庞大、蓬松的碳结构。

此外，GO膜的厚度和密度在还原过程中也起着重要作用。在光子烧结中，突出的光热还原发生在薄膜的顶表面；因此，顶部的局部加热诱导最高温度，该温度向衬底呈指数下降。薄膜在长时间暴露于高脉冲能量下时，会迅速将热量传递到薄膜和衬底界面，从而导致薄膜分离和衬底翘曲。另一方面，相同还原参数的厚膜可以防止热量传递到薄膜和衬底界面。热扩散随着薄膜厚度的增加而减少，从而避免了薄膜从基片上脱落。因此，GO薄膜的厚度是避免薄膜脱离和衬底翘曲的重要参数。同时，GO膜的密度是优化还原参数的关键。通过报道的工作，发现具有空隙的低密度膜(高孔隙率)即使在低脉冲能量下也容易点燃。然而，高密度薄膜紧密堆积，没有空隙，需要高脉冲能量或重复/多次闪光来启动脱氧反应。这是因为具有高光带隙的未还原GO将作为光子吸收的屏障。然而，薄膜的还原部分(rGO)具有较低的光带隙，随着脉冲能量的增加，光子吸收和光热转换增加。因此，更高的脉冲能量和脉冲数会由于产生过多的热量并将其传递到薄膜和衬底界面而引起薄膜的燃烧和分离。因此，为了实现rGO膜的有效转化和结构完整性，我们将脉冲能量从1j/cm2变化到10j/cm2，并观察了脉冲能量的影响。此外，光子烧结系统与薄膜之间的距离也是还原的关键参数。在燃烧薄膜的同时，较小的距离可以在低脉冲能量下实现完全的还原；然而，增加距离可能不会启动脱氧过程。在这项工作中，我们将薄膜与光子烧结系统之间的距离固定为10mm。

文献结论：

电泳沉积和光子烧结相结合是一种有效的技术，可以在任何导电表面形成衬底完整的还原氧化石墨烯膜。通过光子烧结还原可以实现大面积转换，这对提高石墨烯基印刷电子产品的可扩展性非常有利。通过这种技术，还原可以在室温下进行，并且还原的程度是可控的。通过这项工作的观察结果是:(i) EPD 产生连续、均匀和致密的氧化石墨烯膜，(ii)更高的脉冲能量可以实现完全还原，(iii)优化光学参数对于在铜上形成完整的氧化石墨烯膜是必不可少的，(iv)脱氧反应导致高多孔性和导电性的氧化石墨烯膜。此外，发现在2 mVs^-1下的比电容为475.8Fg^-1，这有希望使用铜上的氧化石墨烯薄膜作为电容式电荷存储装置的电极。因此，该工艺能够在几毫秒内快速、环保地生产化学稳定的氧化石墨烯薄膜，可以显著满足超级电容器对石墨烯基电极日益增长的需求。