石墨烯缺陷的特点与应用研究

发布时间：2018-10-04 22:38

【摘要】：石墨烯是一种有着广泛应用前景的新型材料,随着石墨烯研究的深入,其结构缺陷的特点及应用问题吸引了众多研究者的关注。石墨烯的结构缺陷可分为两类:一类为本征缺陷,由石墨烯结构中非sp~2杂化的碳原子组成;第二类为外引入缺陷,由石墨烯片层中与碳原子以共价键形式相连的其他原子如O,N等组成。此外,多层石墨烯堆叠、并域为类石墨结构时也会产生缺陷。以上这些缺陷的存在影响着石墨烯及相关材料的电学、光学、力学等性质,因此如何认识这些缺陷的特点及利用、控制这些缺陷显得十分重要。石墨烯的外引入缺陷如O,可在石墨烯上形成多种含氧官能团(如C-O-C、C-OH、C(O)O),从而使石墨烯具有一定亲水性,拥有一定量氧原子的石墨烯甚至可以在纯水中均匀分散,这种材料通常被称为氧化石墨烯。本论文利用分子动力学模拟和实验相结合的方法研究了氧化石墨烯在纯水和无机盐水溶液中不同的运动行为,发现氧化石墨烯在纯水中可以均匀分散,在无机盐水溶液中却趋于团聚运动。模拟计算表明,导致这种现象的原因是:氧化石墨烯均匀分散在水中是基于其含氧官能团被水化,但是由于盐离子的强水化作用,无机盐水溶液中的氧化石墨烯含氧官能团周围用于水化的水分子减少,水化减弱,从而使氧化石墨烯在盐溶液中的运动能力变小(如纯水中氧化石墨烯的运动能力约为NaCl水溶液中的4倍),氧化石墨烯运动能力的减小最终导致其趋于团聚。进一步研究表明,这样的团聚行为与无机盐的浓度、离子种类有关。基于氧化石墨烯在无机盐中弱的运动能力,本研究发现氧化石墨烯薄膜在盐溶液中(如Na2SO4水溶液)具有高的抗损坏性能,即使给予频率30 kHz,功率100 W的超声处理,也可以保持原貌。进一步研究发现,将氧化石墨烯薄膜在盐溶液中水热处理,可以得到完整的还原氧化石墨烯薄膜,此种薄膜电阻率为0.08?cm,远低于未还原氧化石墨烯薄膜的电阻率(20 k?cm)。电阻率大幅减小的原因是:石墨烯结构内含氧官能团的部分移除。基于氧化石墨烯在纯水中可均匀分散,并具有大分子性,本研究使用氧化石墨烯在水环境下完成了其在高强度炭球表面的自组装,利用高温处理手段移除部分含氧官能团后,成功制备出了高强度导电炭球,使得炭球电阻下降为原来的40%。此外,由于高强度炭球在我国还未见工业化生产,因此本研究使用的高强度炭球采用自行研发的新工艺合成,在优化条件下,以粒径约800μm的炭球为例,本研究合成的炭球平均强度可以达到50 N,达到先进水平。氧化石墨烯在惰性气氛中高温处理,可以移除部分含氧官能团,但同时会由于氧原子伴随着碳原子脱除而形成空洞,从而导致新本征缺陷的出现。本论文利用高斯模拟方法,发现石墨烯内部各原子的电荷分布由于共轭л键的存在是均匀的,但部分区域的缺陷改变了这种均匀的电荷分布,这种改变导致石墨烯缺陷区域具有更高的反应活性。利用这种反应活性的不同,本研究发现高温空气可以选择性氧化去除石墨烯缺陷区域,保留非缺陷区域,并据此建立了选择性表面氧化方法用于控制石墨烯缺陷。本论文中,研究了各向同性沥青经炭质中间相转化为中间相炭微球(MCMBs)过程中的石墨烯形成与并域缺陷特点。研究发现并域缺陷导致MCMBs表面相中的多层石墨烯长程有序尺度小于5μm,这与MCMBs内部几十微米的长程有序区域形成了明显对比。进一步研究表明,MCMBs表面和内部的石墨烯分子中sp~2与非sp~2杂化碳原子含量近似,二者的区别仅在于石墨烯并域过程中有序尺度的不同。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ127.11

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本文编号：2252144