超臨界CO2條件下芘基聚合物液相剝離和分散石墨烯的分子動力學模擬.pdf

1、石墨烯憑借超薄的二維特性、優(yōu)異的光學、電學、熱學、機械和化學性能，成為備受關注的碳納米材料之一，在許多領域都擁有廣泛的應用。但是困擾它們應用的一個障礙就是他們的剝離、分散和在溶液中穩(wěn)定存在的問題。液相剝離法憑借其簡單、高效及可制備高質(zhì)量石墨烯等優(yōu)勢成為制備石墨烯的重要途徑。超臨界 CO2憑借其高的擴散系數(shù)、低的表面張力和綠色環(huán)保等優(yōu)點，已經(jīng)被用于石墨烯的制備。此外對石墨烯進行功能化是提高石墨烯分散性和穩(wěn)定性的有效辦法，而芘基聚合物借助其

2、與石墨烯的π-π相互作用對石墨烯進行非共價修飾被科學家們關注。雖然實驗方法證明在超臨界 CO2環(huán)境中，芘基聚合物在有機溶劑中可以將固體石墨剝離為少層甚至單層石墨烯，由于其局限性，但很難給出分子水平上的具體而細致的描述。因此本文利用模擬的手段，在分子尺度上考察在超臨界 CO2流體的輔助下，在有機溶劑對二甲苯環(huán)境中，利用芘基聚合物剝離石墨烯過程中各組分的作用。我們的研究內(nèi)容包括以下兩個方面：
　　首先，我們用分子動力學模擬方法研究超臨

3、界 CO2的濃度以及體系的壓強對石墨烯剝離的影響；并選擇雙層石墨烯片層間距作為體系變量，集中考察超臨界 CO2和溶劑分子在石墨烯剝離分散過程中的具體作用。研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯的剝離和分散是超臨界 CO2和溶劑分子協(xié)同效應的結(jié)果，兩者相輔相成，缺一不可，共同實現(xiàn)石墨烯的剝離和分散。當超臨界 CO2和對二甲苯溶劑分子的摩爾比不低于2.5時，才能達到剝離分散石墨烯的效果。在剝離過程中超臨界CO2發(fā)揮“楔子”的作用，在較小片層間距時，CO2能夠像潤

4、滑劑一樣先進入片層之間，為溶劑分子的進入提供了契機；在超臨界 CO2的幫助下，溶劑分子進入片層中間形成層狀結(jié)構，同時增大兩片石墨烯片層之間的間距，減弱了石墨烯片層之間的結(jié)合能，為兩片層的剝離分散奠定了基礎。
　　其次，我們用分子動力學方法研究芘基聚合物在不同石墨烯片層初始間距下發(fā)揮的作用，并用拉伸分子動力學量化計算在石墨烯片層初始間距比較小的情況下芘基聚合物在剝離中的貢獻。并且構建“溶劑/芘基聚合物/多層石墨烯”模擬體系，考察芘基