基于氧化石墨烯和木质素的多孔碳薄膜制备及其热特性研究开题报告
- 文献综述
- 研究背景
自从2004年，Novoselov和Geim用机械剥离法制备出石墨烯 (Graphene)【1】以来，石墨烯就一直是物理、化学、材料科学等方向的研究焦点，被誉为新材料之王的“黑金”，甚至还被誉为“彻底改变二十一世纪的黑科技”。关于石墨烯，坊间有戏言，称其“除了不能吃，石墨烯可以用于一切领域，一切产品中”，石墨烯被广泛应用是有其科学依据的。石墨烯是目前已知的唯一的二维态原子晶体，它不仅具有高比表面积、优异的导热性、高机械强度、良好的电子传递能力【2】还拥有比传统的硅和碳纳米管等半导体材料，更高的载流子迁移率，更好的柔韧性和稳定性，以及独特的光学特性【3，4】。
2011年，英国科学家阿利研制出了基于石墨烯的复合材料——石墨烯纸【5】。石墨烯纸弗一问世，也是吸引了众人的眼球，其10倍于钢铁的坚固度与胜于纸张的轻柔度，再加上石墨烯本身的超高比表面积，优异的导热、导电性，使其在材料应用方面体现出了无法撼动的地位。随后，各种关于石墨烯纸的研究报道层出不穷。2012年，石墨烯纸被报道可大大缩短充点放电时间【6】；2013年，石墨烯纸被用作制备电化学方面材料【7】，也有人用金属银修饰石墨烯纸以增强石墨烯的电学、力学性能【8】；近几年，根据石墨烯纸优异的电学、力学性能，众多学者教授作出了不胜枚举的研究。在石墨烯纸的电学性能中，国内有周颖等【9】对石墨烯纸的电容特性，祝伟光【10】对石墨烯纸的超级电容储能特性进行了系统研究，国外有Chau D【11】等人对氧化石墨烯和木质素衍生的多孔碳薄膜作为超级电容器电极材料做了科学研究；在石墨烯纸的导热性能中，国内有石刚等人【12】就石墨烯微片尺寸对石墨烯纸热导率的影响作出了明细的研究，国外有Balandin等【13】就单层石墨烯优越的导热性做了科学研究。但是，有关于石墨烯纸热辐射特性方面的研究却不多见，要知道，石墨烯可是具有独特的光学特性的。
在可见光与近红外范围，石墨烯纸对光的吸收几乎不随波长变化，一层石墨烯具有几乎不变的约为2．3％的吸收率，一层石墨烯薄膜几乎没有反射，其对光的透射率为97．7％N【14】。石墨烯在较宽波长范围对光低吸收的光学性能让它在一些光电器件的应用上有着很大的潜力，已经有相关的研究将石墨烯应用到例如透明电极，LCD屏，太阳能电池以及其他光学显示设备上【15】。但是，另外一些像光电探测器等需要光与材料强相互作用的光电设备，石墨烯低吸收的特性就限制了它在这些设备上的应用【16】。下图为石墨烯纸在扫描电子显微镜（SEM）图像下的纸横截面显示B未修改石墨烯纸的非均匀性和C已胺改的氧化
石墨烯纸的均匀性【17】。由图可看出石墨烯纸具有明显的层状结构，研究者设想石墨烯纸严密的层状结构阻断了石墨烯纸与光的相互作用。故研究者设想通过将石墨烯纸的层状结构改变，制备出一种多孔的石墨烯纸以增强石墨烯纸吸收比的光学特性。
木质素是植物生物质中发现的三种主要成分之一，在商业上被用作分散剂，表面活性剂，粘合剂。木质素表面活性剂的研究主要集中在对木质素分子结构进行改性方面【11】。敖先权【18】等利用硫酸盐木质素改性制备了水煤浆添加剂，指出其可以降低煤粒固一液界面自由能和水化膜厚度，从而起到分散作用。故研究者设想把木质素作为一种插层剂，制备出基于氧化石墨烯和木质素的多孔碳薄膜，再还原为石墨烯纸，探究其热辐射特性。
- 木质素与氧化石墨烯简介
木质素是植物生物质中发现的三种主要成分之一； 其他两种成分是纤维素和半纤维素。作为一种天然高分子材料，木质素的主要来源是制浆造纸工业，其每年要从植物中分离出大约1．4t纤维素，同时得到5000t木质素。但直到2012年，木质素均以“黑液”形式被废弃掉，极少得到有效利用【19】。随着社会能源体系对于高效、清洁、经济、安全的要求【20】，有效利用木质素，变得十分迫切。传统上，所产生的大部分木质素被燃烧以提供工厂运行所需的电力【21】。一小部分木质素流在商业上用作分散剂，表面活性剂，粘合剂和碳的前体。而在2012年前木质素的应用研究主要集中在表面活性剂、絮凝剂、树脂粘合剂、环氧树脂合成等方面【19】。目前正在研究将木质素转化为增值产品，希望能提高综合生物精炼的经济效益。
氧化石墨烯（Graphene Oxide, GO）【22】作为石墨烯的重要衍生物具有与石墨烯相似的二维片层结构但比石墨烯具有更好的润湿性能、表面活性和生物相容性。GO 片层内存在 pi;-pi; 堆积作用，层间存在范德华力作用，具有良好的成膜性 , 可以制备成氧化石墨烯薄膜，又被称为氧化石墨烯纸（GOP）【22】。GO 纸是一种具有层状结构的自支撑薄膜，表现出非凡的机械强度、优异的柔韧性和良好的导电性，广泛应用于制造柔性电化学材料、生物医学器件以及超级电容器等【23】。GO 及其溶液的制备方法较为成熟，现已开发出了几种 GO 纸的制备方法：
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