石墨烯的制备及其性质研究

论文摘要

石墨烯,一种单原子层的二维纳米材料,具有非常高的比表面积和优异的机械、电学、热学和光学特性。自从2004年发现以来,研究者对这种材料在未来技术革命方面提出了大量的应用,石墨烯被认为是未来能够取代硅的一种新型电子材料。本论文首先介绍了石墨烯的结构、物理性质、潜在应用,并对石墨烯的制备方法和研究进展进行综述。实验中采用氧化还原的方法对天然鳞片石墨进行插层氧化,超声分散后获得氧化石墨烯。在氨水参与的碱性环境下用联氨还原,得到石墨烯悬浮液。在氧化过程中采用低速搅拌的方式,有利于氧化剂和插层剂的深层反应,同时不会使氧化物处于干结状态,氧化时间以48h为宜。另外在氧化的过程中不适宜添加超声波的作用,超声波会对片层粒子尺寸起到较大的破坏作用。而当氧化结束的时候,鳞片石墨层间处于疏松状态,此时添加超声波,可以使片层粒子充分层离。最后得到透射率高的氧化石墨烯。氧化后获得的氧化石墨拉曼谱D峰和G峰都有所增强,峰的宽度变宽,晶体的无序度变大,同时拉曼峰在1580 cm-1出现偏移,氧化石墨烯在180℃出现失重。还原后的石墨烯膜层较薄,容易产生褶皱和卷曲,膜层有较好的透光性。还原后膜层和天然鳞片石墨相比,失去了原有的晶格结构。随着还原时间的增加,石墨的G峰逐渐向长波方向移动,同时,其特征峰中的D峰开始变得尖锐。石墨烯在860℃出现失重现象。氧化后和还原后的产物均含有石墨的特征峰D峰和G峰,峰的宽度比天然鳞片石墨的要宽,经过氧化以后,物质的D/G峰值比率有很大的提高,还原之后,D/G峰值比率进一步提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 碳材料家族体系
• 1.1.2 石墨烯的发现
• 1.2 石墨烯的结构
• 1.2.1 石墨的结构
• 1.2.2 石墨烯的结构
• 1.3 石墨烯的物理性质
• 1.3.1 石墨烯的能带结构图
• 1.3.2 石墨烯的电学性质
• 1.3.3 室温下的量子霍尔效应
• 1.3.4 表面性质的尺寸效应
• 1.4 石墨烯的发展前景
• 1.5 本文的研究意义和研究内容
• 2 石墨烯的制备方法及研究进展
• 2.1 纳米材料的常用制备方法
• 2.1.1 气相法
• 2.1.2 液相法
• 2.1.3 固相法
• 2.2 石墨烯的制备方法
• 2.2.1 机械剥离法
• 2.2.2 外延生长法
• 2.2.3 化学氧化还原法
• 2.2.4 沉积法
• 2.2.5 电化学法
• 2.3 石墨烯的研究进展
• 2.3.1 关于理论计算的研究进展
• 2.3.2 性质方面研究进展
• 2.4 石墨烯纳米带
• 2.4.1 石墨烯纳米带的理论研究
• 2.4.2 石墨烯纳米带实验进展
• 2.5 石墨烯应用方面研究进展
• 2.5.1 石墨烯基器件
• 2.5.2 石墨烯纳米复合材料
• 3 石墨的氧化制备过程分析
• 3.1 引言
• 3.2 氧化石墨简介
• 3.3 实验部分
• 3.3.1 实验试剂
• 3.3.2 实验仪器
• 3.3.3 实验步骤
• 3.3.4 样品制备
• 3.4 分析手段
• 3.4.1 X射线衍射仪
• 3.4.2 拉曼光谱
• 3.4.3 紫外光谱
• 3.4.4 热重分析
• 3.5 实验过程分析
• 3.5.1 搅拌过程对产物的影响
• 3.5.2 氧化时间对产物的影响
• 3.5.3 超声波在实验过程中的作用
• 3.6 性能表征
• 3.6.1 SEM图像分析
• 3.6.2 热重分析
• 3.6.3 紫外吸收光谱
• 3.7 小结
• 4 氧化石墨烯的还原
• 4.1 还原过程步骤
• 4.2 过程分析
• 4.3 性能表征
• 4.3.1 金相显微分析
• 4.3.2 SEM图像分析
• 4.3.3 XRD图谱
• 4.3.4 拉曼谱
• 4.3.5 热重分析
• 4.4 小结
• 5 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢