石墨在氧化还原过程中结构的演变及电学性能研究

发布时间：2016-12-01 20:28

  本文关键词：石墨在氧化还原过程中结构的演变及电学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

《西南科技大学》 2012年

石墨在氧化还原过程中结构的演变及电学性能研究

黄桥  

【摘要】：采用氧化还原法制备了石墨烯，并对石墨烯制备过程中各阶段产物的结构变化以及导电性能进行研究。基于Hummers法，通过改变工艺因素参数制备不同氧化程度的氧化石墨；氧化石墨通过超声剥离和高速离心处理制备了水相条件下稳定分散的氧化石墨烯悬浮液；采用水合肼作为还原剂分别对氧化石墨和氧化石墨烯进行还原，获得了具有不同结构属性的氧化石墨还原产物以及石墨烯产物，并通过真空抽滤制备了氧化石墨烯薄膜和石墨烯薄膜；采用基于密度泛函理论的CASTEP软件模拟计算石墨、氧化石墨和石墨烯的能带结构。通过XRD、FTIR、Raman、UV-vis、TG-DTA、激光粒度分析（LPSA）、Zeta电位分析、SEM、AFM、四探针电阻率测试仪等测试手段对石墨烯制备过程中各阶段产物进行了表征分析。 研究结果表明，Hummers法制备氧化石墨过程中，增加高锰酸钾用量或延长中温阶段的反应时间有利于石墨的插层氧化，形成较高氧化程度的氧化石墨产物；石墨经氧化后，结构层键合大量含氧官能团，层间距增大，结构层π键共轭体系遭破坏，基本丧失导电性能；随氧化程度的增加，氧化石墨产物的“插层氧化”逐渐趋于完全，结构中的含氧官能团含量逐渐增加，产物热稳定性越差，导电性能越弱；氧化程度越高的氧化石墨在纯水或碱性中的剥离分散性越好，通过超声剥离和离心处理可形成稳定的氧化石墨烯胶状悬浮液，获得的单层氧化石墨烯厚度在1.4nm左右，横向尺寸多数分布在1~2μm范围内，在凝聚成膜时，可通过自组装形成与氧化石墨结构特征相似的有序层状堆叠结构；在还原过程中，由于结构层含氧基团的不完全去除，以及氧化-还原过程中氧原子的嵌入与脱失对碳层平面造成的破坏，导致未剥离完全的氧化石墨经还原后产物的结构层之间形成“类石墨相”结构；氧化石墨烯经还原后，含氧基团的去除，表面π键共轭体系恢复，导电性能部分恢复，同时片层厚度减小至1nm左右，此时结构层由于残存的含氧官能团较少，在凝聚成膜过程中不能形成自组装有序堆垛结构，使得制备的石墨烯薄膜呈非晶状态；石墨烯和石墨的价带和导带在费米能级处发生接触，呈半金属性；含氧基团中的O2p轨道电子与石墨烯在费米能附近处价带中的部分C2p轨道电子成键，导致费米能级附近价带电子态削弱，使得C8O2(OH)2氧化石墨模型产生较宽的带隙；含氧基团移除，导致原本在费米能级附近与O2p态成键的部分C2p态向费米能级移动，离域化π电子恢复，使得C_8OH化学转变石墨烯模型具有相对较小的带隙宽度。 本论文的研究揭示了石墨烯制备过程中制备工艺、产物的结构变化规律与电学性能之间的内在联系，，对于氧化石墨和石墨烯制备方法的选择、过程的控制及性能的可控性设计都具有重要的理论和实际意义。

【关键词】：
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：O613.71
【目录】：

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  本文关键词：石墨在氧化还原过程中结构的演变及电学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：201272