不同成因石墨的晶体化学特征及对石墨烯的影响

发布时间：2017-04-16 18:23

  本文关键词：不同成因石墨的晶体化学特征及对石墨烯的影响，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：基于我国石墨矿产资源丰富,矿石种类齐全,产出有晶质和微晶两种,且石墨可作为规模化制备石墨烯的天然原料,本论文以研究不同地质成因石墨的矿物学特征为基础,通过氧化-还原法制得还原氧化石墨烯(简称石墨烯),系统地研究了不同成因石墨的晶体化学特征及其对氧化-热剥离还原过程中结构及性能变化的影响规律,对实现石墨烯产业化的原料选择及应用具有重要的理论价值和实际意义。对我国典型石墨矿山石墨矿物的矿物学特征研究表明,我国产出石墨主要为2H型石墨,同时不同程度地含有3R型多型;晶质与微晶石墨的石墨化度均较高,在后期的地质作用或人工加工改造过程中,可产生由机械作用引入的次生缺陷,进而引入O元素,且晶胞体积随晶体结构中O元素含量的增加而增大。由于其片径的差异导致前者的结构稳定性、可浮性与导电性均优于后者。在对石墨矿物学特征研究的基础上,选用典型晶质和微晶石墨样品为原料,采用改进Hummers法制得不同成因石墨的系列氧化石墨,然后采用热剥离还原氧化石墨制得石墨烯。通过多种分析表征手段,研究了不同成因石墨在氧化-热剥离还原制备石墨烯过程中的属性变化过程。结果表明,在氧化-热剥离还原过程中,两种类型石墨结构属性的变化规律基本一致,制备的石墨烯均为轻质、多孔、高比表面积的多层石墨烯堆叠聚集体材料。在相同的条件下,微晶石墨氧化产物的结构有序度、导电性均始终低于晶质石墨的氧化产物;微晶石墨具有较高的反应活性,比晶质石墨更容易被氧化和被还原;微晶石墨比晶质石墨氧化后含有更多的COOH、C-OH和更少的C-O-C,且微晶氧化石墨可剥离性较差,制备氧化石墨烯的产率较低。氧化石墨烯片径尺寸减小倍数与晶质石墨平均尺寸呈正比关系,且随着晶质石墨原样粒度增大,氧化石墨烯的产率逐渐下降。随着石墨氧化程度增加,结构无序度、含氧官能团与制备氧化石墨烯产率逐渐增高(多),π体系共轭程度与导电性逐渐降低;热剥离还原后膨胀容积、结构无序度逐渐增大,石墨烯堆叠层间距、电阻率逐渐减小;随着还原程度升高,石墨烯堆叠层间距、含氧官能团与电阻率逐渐减小(少),结构无序度逐渐增高。采用循环伏安、恒流充放电和电化学阻抗谱测试手段对不同成因石墨制备的石墨烯材料的超级电容性能进行了研究。结果表明,晶质与微晶石墨制备的石墨烯材料均表现为较好的双电层电容特性。提高石墨氧化程度有助于提高其还原后的比电容,但较高的氧化程度会导致还原的石墨烯材料的导电性变差。在相同的氧化条件下,提高热剥离还原温度可增加石墨烯材料的循环稳定性,但比电容随温度先增高至最大值后呈下降趋势。以晶质石墨为原料制备的石墨烯材料的超级电容性能略优于以微晶石墨为原料制备的石墨烯的超级电容性能。通过制备的石墨烯对亚甲基蓝(MB)的吸附实验研究了石墨烯的吸附性能。结果表明,石墨烯对MB的吸附反应为自发进行的吸热反应,吸附作用力来自于石墨烯和MB分子中的π-π共轭作用。吸附量受初始浓度等多个因素影响。晶质石墨制备的石墨烯对MB的吸附量小于微晶石墨制备的石墨烯,且后者的初始吸附速率大于前者。
【关键词】：石墨 晶体化学 石墨烯 超级电容 吸附
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O613.71;P573
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 绪论12-24
• 1.1 立题背景与立题思想12
• 1.2 国内外研究现状12-19
• 1.2.1 石墨的成因分类12-13
• 1.2.2 石墨的矿物学研究13-14
• 1.2.3 石墨烯的制备研究14-19
• 1.3 课题来源及选题意义19
• 1.4 研究内容与研究目标19-20
• 1.4.1 研究内容19-20
• 1.4.2 研究目标20
• 1.5 研究技术路线20-21
• 1.6 主要研究成果21-22
• 1.7 特色与创新点22
• 1.8 主要工作量22-24
• 2 石墨的矿物学特征研究24-42
• 2.1 样品采集与表征方法24-25
• 2.1.1 样品采集24
• 2.1.2 表征方法24-25
• 2.2 显微形貌、结构与化学组成特征25-31
• 2.2.1 显微形貌与能谱分析25-28
• 2.2.2 显微结构与电子衍射分析28-30
• 2.2.3 光电子能谱元素分析与结合能30-31
• 2.3 晶体结构特征31-37
• 2.3.1 晶胞参数31-32
• 2.3.2 石墨化度与 3R多型含量32-36
• 2.3.3 结构缺陷与无序度36-37
• 2.4 物理化学性质37-41
• 2.4.1 热稳定性37-38
• 2.4.2 表面电性38-39
• 2.4.3 界面湿润性39-40
• 2.4.4 导电性40-41
• 2.5 本章小结41-42
• 3 不同成因石墨制备的氧化石墨(烯)的属性研究42-63
• 3.1 晶质石墨制备的氧化石墨的属性42-54
• 3.1.1 实验42-44
• 3.1.2 氧化程度对氧化石墨结构特征的影响44-48
• 3.1.3 氧化程度对氧化石墨烯产率的影响48-49
• 3.1.4 氧化程度对氧化石墨的导电性的影响49
• 3.1.5 晶质石墨片径对氧化石墨烯尺寸及结构特征的影响49-54
• 3.2 微晶石墨制备的氧化石墨的属性54-61
• 3.2.1 实验54-55
• 3.2.2 氧化程度对氧化石墨的结构特征的影响55-59
• 3.2.3 氧化程度对氧化石墨烯产率的影响59-60
• 3.2.4 氧化程度对氧化石墨导电性的影响60-61
• 3.3 本章小结61-63
• 4 不同成因石墨制备的石墨烯的属性研究63-88
• 4.1 晶质石墨制备的石墨烯的属性63-74
• 4.1.1 实验63-64
• 4.1.2 氧化程度对石墨烯形貌特征的影响64-66
• 4.1.3 氧化程度对石墨烯结构特征的影响66-69
• 4.1.4 还原程度对石墨烯形貌与孔隙特征的影响69-70
• 4.1.5 还原程度对石墨烯结构特征的影响70-74
• 4.2 微晶石墨制备的石墨烯的属性74-86
• 4.2.1 实验74
• 4.2.2 氧化程度对石墨烯形貌与孔隙特征的影响74-77
• 4.2.3 氧化程度对石墨烯结构特征的影响77-80
• 4.2.4 还原程度对石墨烯形貌与孔隙特征的影响80-83
• 4.2.5 还原程度对石墨烯结构特征的影响83-86
• 4.3 本章小结86-88
• 5 不同成因石墨制备的石墨烯的超级电容性能研究88-107
• 5.1 晶质石墨制备的石墨烯的超级电容性能88-99
• 5.1.1 实验88-89
• 5.1.2 氧化程度对石墨烯的超级电容性能的影响89-93
• 5.1.3 还原程度对石墨烯的超级电容性能的影响93-99
• 5.2 微晶石墨制备的石墨烯的超级电容性能99-105
• 5.2.1 实验99
• 5.2.2 氧化程度对石墨烯的超级电容性能的影响99-102
• 5.2.3 还原程度对石墨烯的超级电容性能的影响102-105
• 5.3 本章小结105-107
• 6 不同成因石墨制备的石墨烯的吸附行为研究107-125
• 6.1 晶质石墨制备的石墨烯的吸附行为107-116
• 6.1.1 实验107-108
• 6.1.2 吸附实验结果108-112
• 6.1.3 吸附等温线分析112-113
• 6.1.4 吸附动力学分析113-114
• 6.1.5 吸附热力学分析114-116
• 6.2 微晶石墨制备的石墨烯的吸附行为116-122
• 6.2.1 实验116
• 6.2.2 吸附实验结果116-120
• 6.2.3 吸附等温线分析120-121
• 6.2.4 吸附动力学分析121
• 6.2.5 吸附热力学分析121-122
• 6.3 吸附机理分析122-124
• 6.4 本章小结124-125
• 结论125-127
• 致谢127-129
• 参考文献129-138
• 附录138-141
• 附录1氧化石墨烯水系悬浮液浓度的测定方法138-139
• 附录2亚甲基蓝（MB）浓度的测定方法139-141
• 攻读学位期间发表的学术论文及研究成果141-143

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 郑辙,陈宣华;煤基石墨的Raman光谱研究[J];中国科学(B辑 化学 生命科学 地学);1994年06期

2 王克勤;山东南墅石墨矿石墨晶体结构的研究[J];矿物学报;1990年02期

3 黄桥;孙红娟;杨勇辉;;氧化石墨的谱学表征及分析[J];无机化学学报;2011年09期

  本文关键词：不同成因石墨的晶体化学特征及对石墨烯的影响，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：311413