[论文解读] On a novel nanomaterial based on graphene and POSS: GRAPOSS

Luca Valentini, Marta Cardinali+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2011

Silicone and Siloxane Chemistry参考文献 28被引用 14

一句话总结

本论文提出GRAPOSS，一种新型混合纳米材料，将氧化石墨烯（GO）与氨基丙基功能化的笼型聚倍半硅氧烷（POSS-NH2）结合。作者证明，在氧化石墨烯片层上接枝POSS-NH2可恢复还原氧化石墨烯的电导率，使其在聚合物纳米复合材料及先进材料领域具有广阔应用前景。

ABSTRACT

A novel nanomaterial which consists of graphene sheets decorated with silsesquioxane molecoles has been developed. Indeed, aminopropyl-silsesquioxane (POSS-NH2) has been employed to functionalize graphene oxide sheets (GOs). The surface grafting of GOs with POSS-NH2 has been established by infrared spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy, while the morphology has been investigated by field emission electron microscopy as well as by atomic force microscopy. The combination of the amino functionalized POSS molecules with GO sheets produces a hybrid silicon/graphite-based nanomaterial, named GRAPOSS, for which the electrical conductivity of reduced GO was restored, thus allowing promising exploitations in several fields such as polymer nanocomposites.

研究动机与目标

• 通过氨基丙基-倍半硅氧烷（POSS-NH2）功能化氧化石墨烯，开发一种新型混合纳米材料。
• 通过POSS-NH2的共价接枝，提升氧化石墨烯的电导率。
• 表征所得混合材料的结构、形貌及电子性质。
• 评估该混合材料（命名为GRAPOSS）在聚合物纳米复合材料中的潜在应用。

提出的方法

• 通过改进的Hummers法合成氧化石墨烯（GO）片层。
• 通过共价接枝法将氨基丙基-倍半硅氧烷（POSS-NH2）功能化GO。
• 利用红外光谱（FTIR）表征，确认GO与POSS-NH2之间的化学键合。
• 利用X射线光电子能谱（XPS）分析表面元素组成及化学态。
• 利用场发射电子显微镜（FE-SEM）和原子力显微镜（AFM）研究形貌与表面拓扑结构。
• 对还原GO进行电导率测量，评估POSS接枝的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 氨基丙基功能化的POSS能否成功接枝到氧化石墨烯片层上？
• RQ2 POSS-NH2的接枝如何影响氧化石墨烯的电导率？
• RQ3 所得GRAPOSS混合材料的形貌与表面化学特性如何？
• RQ4 POSS功能化后，还原氧化石墨烯的电导率恢复程度如何？
• RQ5 GRAPOSS在聚合物纳米复合材料中的潜在应用有哪些？

主要发现

• FTIR与XPS光谱证实POSS-NH2成功共价接枝到氧化石墨烯上。
• 场发射电子显微镜与原子力显微镜显示GO片层表面均匀分布POSS-NH2簇。
• POSS-NH2功能化后，还原石墨烯的电导率得到有效恢复。
• 该混合材料（命名为GRAPOSS）实现了硅基POSS与碳基石墨烯的协同作用，显著提升其功能多样性。
• 由于界面相互作用增强及电学性能恢复，该材料在聚合物纳米复合材料中展现出应用潜力。
• 本研究展示了一条可扩展的路线，用于设计具有定制表面化学与增强性能的石墨烯基纳米材料。