不同类型天然石墨制备氧化石墨烯及其吸附和电化学性能研究
发布时间：2020-10-22 11:28
天然石墨矿产资源丰富,储量大、性质稳定,是大规模制备氧化石墨烯及相关产品原料的优良选择。以四种不同类型的天然石墨为原料,在结构特征研究的基础上,采用化学氧化法制备氧化石墨烯,研究了氧化程度对生成氧化石墨烯产物的结构影响,并考察其吸附和电化学性能。为实现氧化石墨烯及相关产品的产业化,提供原料选择的供理论依据,对高效利用不同类型的天然石墨有重要意义。主要研究内容和结论如下:(1)分别对脉石墨VG、大鳞片石墨LG、细鳞片石墨FG和隐晶质石墨AG,四种天然石墨进行结构特征的分析与测试,研究表明,四种石墨具有不同的石墨化度、结构缺陷以及结晶程度,为不同类型天然石墨的典型代表。从VG到AG,天然石墨的结晶程度逐渐减弱,石墨化度逐渐降低,且石墨晶体中3R多型含量逐渐增多。同时,石墨结构中含氧量不断增加,晶胞体积随氧元素含量的增加而增大,并引入了更多结构缺陷。(2)以四种不同类型的天然石墨为原料,采用水合氧化-超声剥离的方法制备氧化石墨烯,研究不同氧化产物的结构变化。结果表明,石墨化度越低,结晶程度相对较弱,越利于氧化过程的进行,越易被氧化,表面暴露的含氧官能团越多,在水中的分散性能越好,通过超声剥离的产率越高,且越易剥离成尺寸厚度小的氧化石墨烯,并生成缺陷程度较高的产物;(3)以四种氧化石墨烯为吸附剂,研究在阳离子蓝溶液中的吸附行为。结果发现,四种氧化石墨烯对阳离子蓝的吸附均为自发的吸热过程,其中隐晶质石墨(AG)的石墨化度较低,生成氧化石墨烯产物(GO-AG)的氧化程度较高,表面暴露出的含氧官能团更多,更利于阳离子染料的静电结合作用,因而GO-AG表现出的吸附性能最优异,饱和吸附量为4248.79 mg/g。(4)对四种氧化石墨烯及其还原产物进行电化学性能测试,结果表明,氧化石墨烯的双电层电容性较差,但经过水合还原除表面官能团后的石墨烯产物,其电化学性能更加优越。其中由大鳞片石墨制备出的还原氧化石墨烯(rGO-LG),表面电化学惰性含氧官能团去除多、结构缺陷低、且修复程度和面内sp~2区域平均尺寸较大,因此rGO-LG比电容值最大,双电层电容性能更好。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD985;TQ127.11
【部分图文】：
图 1-1 石墨烯的结构示意图2 力学特性石墨烯为已知的强度最大，硬度最高的晶体结构，柔软易弯曲，兼顾有良好的韧性，其理论的杨氏模量为 1.1 TPa，抗拉强度为 125 GPa，强度极限为 42N/m2[9]。在 100 nm 左右的距离上，石墨烯结构的微粒在破裂前能承受约 2.9 μN的压力。可通过实验以铅笔芯的石墨为原料，剥离制备石墨烯，并测量得知其强度较世界最好的钢材料高出近百倍，结构更是比钻石还坚硬[10]。3 热学性能石墨烯热传导性能优异。理论上，单层石墨烯在室温时的导热系数为 5300W/mK，均高于金刚石、单壁和多壁碳纳米管，更是室温下金属铜导热率的 10倍以上[11-13]。基于现阶段的研究，石墨烯是目前发现的导热系数最高的碳材料。此外，石墨烯负热膨胀系数大，并能作为工程应用中十分重要的热界面材料。4 电子特性经实验测量，室温下石墨烯的载流子迁移率约为 15000 cm2/（V·s），高于硅材料数十倍。目前，锑化铟为已知的载流子迁移率最高的材料，而石墨烯在其
双层石墨烯：由两层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方的二维材料。少层石墨烯：由三到十层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子以不同堆构成的二维材料。多层石墨烯：由十层以上的以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子堆垛形维材料。2 氧化石墨烯.1 氧化石墨烯简介氧化石墨烯是石墨烯的氧化物形式，由于原料以及浓度的差异，颜色可亮黄色、棕黄色、土黄色等，经过强氧化反应，氧化石墨烯表面上暴露出不同种类的含氧官能团，使其性质更加活泼，因此，氧化石墨烯是后续合烯、石墨烯衍生材料以及石墨烯基复合材料的重要过渡产品和中间产物
图 1-3 氧化石墨烯的结构图 氧化石墨烯制备方法1 Brodie 法[23]早在 19 世纪，研究人员 Brodie 选用 HNO3的发烟体系，以氧化性较3作为氧化剂，整个反应体系的温度维持在 0℃左右，随后不断搅拌反用去离子水对产物进行洗涤，进而得到最终的氧化产品，然而较低的限制了后续的功能应用，因此需要进行数次的氧化反应以提高产物的。该方法的优点在于可以对氧化反应的时间进行调节，从而通过时间氧化程度，并且合成的氧化产物结构比较规整，而缺点则是总体反应，KClO3作氧化剂具有一定的危险性，可能引起爆炸。2 Staudenmaier 法[24]较 Brodie 法不同，Staudenmaier 法对药剂的选择有所调整，采用浓 烟 HNO3组成混酸体系，对石墨粉进行氧化反应。氧化剂同样为 KClO应体系的温度也需要一直维持在 0℃左右。产品的氧化程度随着时间的
【参考文献】
本文编号：2851533
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD985;TQ127.11
【部分图文】：
图 1-1 石墨烯的结构示意图2 力学特性石墨烯为已知的强度最大，硬度最高的晶体结构，柔软易弯曲，兼顾有良好的韧性，其理论的杨氏模量为 1.1 TPa，抗拉强度为 125 GPa，强度极限为 42N/m2[9]。在 100 nm 左右的距离上，石墨烯结构的微粒在破裂前能承受约 2.9 μN的压力。可通过实验以铅笔芯的石墨为原料，剥离制备石墨烯，并测量得知其强度较世界最好的钢材料高出近百倍，结构更是比钻石还坚硬[10]。3 热学性能石墨烯热传导性能优异。理论上，单层石墨烯在室温时的导热系数为 5300W/mK，均高于金刚石、单壁和多壁碳纳米管，更是室温下金属铜导热率的 10倍以上[11-13]。基于现阶段的研究，石墨烯是目前发现的导热系数最高的碳材料。此外，石墨烯负热膨胀系数大，并能作为工程应用中十分重要的热界面材料。4 电子特性经实验测量，室温下石墨烯的载流子迁移率约为 15000 cm2/（V·s），高于硅材料数十倍。目前，锑化铟为已知的载流子迁移率最高的材料，而石墨烯在其
双层石墨烯：由两层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方的二维材料。少层石墨烯：由三到十层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子以不同堆构成的二维材料。多层石墨烯：由十层以上的以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子堆垛形维材料。2 氧化石墨烯.1 氧化石墨烯简介氧化石墨烯是石墨烯的氧化物形式，由于原料以及浓度的差异，颜色可亮黄色、棕黄色、土黄色等，经过强氧化反应，氧化石墨烯表面上暴露出不同种类的含氧官能团，使其性质更加活泼，因此，氧化石墨烯是后续合烯、石墨烯衍生材料以及石墨烯基复合材料的重要过渡产品和中间产物
图 1-3 氧化石墨烯的结构图 氧化石墨烯制备方法1 Brodie 法[23]早在 19 世纪，研究人员 Brodie 选用 HNO3的发烟体系，以氧化性较3作为氧化剂，整个反应体系的温度维持在 0℃左右，随后不断搅拌反用去离子水对产物进行洗涤，进而得到最终的氧化产品，然而较低的限制了后续的功能应用，因此需要进行数次的氧化反应以提高产物的。该方法的优点在于可以对氧化反应的时间进行调节，从而通过时间氧化程度，并且合成的氧化产物结构比较规整，而缺点则是总体反应，KClO3作氧化剂具有一定的危险性，可能引起爆炸。2 Staudenmaier 法[24]较 Brodie 法不同，Staudenmaier 法对药剂的选择有所调整，采用浓 烟 HNO3组成混酸体系，对石墨粉进行氧化反应。氧化剂同样为 KClO应体系的温度也需要一直维持在 0℃左右。产品的氧化程度随着时间的
【参考文献】
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1 邱杨率;鳞片石墨浮选行为及新工艺研究[D];武汉理工大学;2016年
2 田正山;氧化石墨烯功能化应用研究[D];东南大学;2015年
3 胡晓阳;碳纳米管和石墨烯的制备及应用研究[D];郑州大学;2013年
4 曾延波;新型表面分子印迹和识别聚合物材料的制备及其在电化学传感器的应用研究[D];华东师范大学;2013年
5 刘忠良;碳化硅薄膜的外延生长、结构表征及石墨烯的制备[D];中国科学技术大学;2009年
本文编号：2851533
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