极性溶剂与氧化石墨片层的交互作用研究

发布时间：2020-08-09 02:13

【摘要】：氧化石墨层间距直接决定其性质和应用,其片层含有的官能团极易将极性溶剂吸附到层间,溶剂与氧化石墨片层的交互作用引起层间距变化,而层间距的变化又会决定极性溶剂在层间的存在形式。本文采用分子动力学模拟和实验相结合的方法研究了氧化石墨吸附极性溶剂乙二醇(EG,C_2H_6O_2)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF,C_3H_7NO)、N-甲基吡咯烷酮(NMP,C_5H_9NO)和水分子后,极性溶剂分子与氧化石墨片层之间的交互作用。采用傅里叶变换红外光谱和X射线衍射表征吸附极性溶剂分子后氧化石墨的结构变化,采用分子动力学模拟的方法研究极性分子与氧化石墨片层的交互作用引起的氧化石墨层间距的变化,并研究影响氧化石墨层间距的因素。结果表明,氧化石墨的层数越多,氧化石墨的结构越紧密;吸附溶剂后氧化石墨层间距增大的值与极性溶剂分子三维尺寸的最小值一致;吸附溶剂分子的数目越多,氧化石墨的层间距越大;大部分的溶剂分子倾向于平行氧化石墨碳层,随着层间吸附更多的溶剂,部分分子垂直其碳层;当氧化石墨同时吸附两种组分的溶剂,相比于水分子,其它极性溶剂因分子尺寸较大会在增大氧化石墨层间距中起着至关重要的作用。本文研究了水分子进入氧化石墨层间后与片层上的官能团间交互作用的氢键力、水分子行为和氧化石墨的结构,从分子尺度揭示氧化石墨层间距的变化规律。结果表明,氧化石墨片层上的官能团和水分子之间形成的氢键在控制氧化石墨和水的交互作用中起着重要作用。随着含水量的增大,水分子簇越来越明显,水分子与片层之间的由结合态向自由态过渡,这也使得在较低含水量时难以将其从氧化石墨中分离,水分子的加入同时也增大了氧化石墨的层间距。本文的研究结果为后续氧化石墨的应用提供理论基础,对石墨基材料的改性和复合材料的制备提供一定的参考价值。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O613.71;O641.3
【图文】：

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第 1 章文献综述烯简介几十年，国内外学者对碳纳米材料的研究取得了举世瞩目的英国化学家在 1985 年发现的类似于足球形状的富勒烯(C60)米材料研究的大门。几年后日本科学家发现了作为一维碳纳米纳米管(CNTs)[2]，因其具有更加独特的结构引发了全世界学者快了二维碳纳米材料的诞生。英国曼彻斯特大学的两位科K.S.Novoselov，于 2004 年通过微机械剥离这种物理方法成功中剥离出仅有一层碳原子构成的薄片，这就是二维碳纳米材料ne)[3]。

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特性以及热性能，如：室温下其载流子迁移率达 2×105m2/(VS)[5]；理量达 1100GPa[6]，固有拉伸强度为 130GPa[7]；纯的无缺陷石墨烯的导0W/(mK)[8]。由于石墨烯具有如此优异的物理性质以及在各行各业突出值，大规模、低成本、可控性合成和制备石墨烯具有重要的理论和工程意目前，石墨烯的制备方法大致分为氧化石墨还原法[9]、微机械剥离法[10离法[11]、晶体外延取向生长法[12]以及化学气相沉积法[13]。其中，氧化石制备石墨烯具有低成本、设备要求简单、易于大规模大批量生产的优势有可能规模化制备石墨烯的方法。氧化石墨还原法的步骤如下图 1-2 所(1) 采用强氧化剂将石墨氧化，在石墨片层边缘引入羧基，在石墨层间羟基、环氧基和酮基[14-17]，含氧官能团的加入增大了碳层平面的层间距范德华力，有利于石墨片层的剥离；(2) 对氧化得到的氧化石墨经超声波处理，剥离得到氧化石墨烯分散液(3) 还原剂还原上述得到的氧化石墨烯分散液[18,19]，还原后氧化石墨烯能团消失，制得石墨烯产品。

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图 1-3 氧化石墨的各种模型结构Fig.1-3 Summary of various structural models of graphite oxide目前 Lerf-Klinowski 模型被大量学者认可和使用，氧化石墨层间容易嵌入水分子，碳原子在平面内通过较强的共价键以六元环的形式结合在一起，在层间则和插入的水分子通过氢键结合。1.2.2 氧化石墨制备方法目前，氧化石墨主要由天然石墨粉末在强氧化剂的氧化作用下制得，其合成方法主要有 Brodie 法、Staudenmaier 法和 Hummers 法，这三种方法都是采用强氧化剂和强酸对石墨粉末进行化学氧化和插层处理，在石墨片层表面氧化得到含氧官能团，制得氧化石墨。由于每种方法的操作方式不同，强氧化剂和强酸也不相同，因而制备氧化石墨所需要的反应时间也不相同。1859 年，Brodie[23]在发烟硝酸(HNO3)体系中，将氯酸钾(KClO3)作为强氧化剂，控制反应釜温度在 60℃-80℃，进行多次氧化洗涤以提高产品的氧化程度

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