石墨在氧化还原过程中结构的演变及电学性能研究凝聚态物理专业论文.docxVIP

西南科技大学硕士研究生学位论文 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1页 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，结构层兀键共轭体系遭破坏，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1．4 nm左右，横向尺寸多数分布在1～2 um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，表面兀键共轭体 系恢复，导电性能部分恢复，同时片层厚度减小至1 nm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O 2p轨道电子与石墨烯在费米能附近处价带中的部分C 2p轨道电子成 西南科技大学硕士研究生学位论文 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1I页 键，导致费米能级附近价带电子态削弱，使得C 802(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O 2p 态成键的部分C 2p态向费米能级移动，离域化冗电子恢复，使得C 80H 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：石墨 氧化石墨石墨烯 氧化还原法结构演变导电性能 西南科技大学硕士研究生学位论文 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1Ⅱ页 Ab s t r a ct． The preparation of graphene has been achieved based on the oxidation—reduction method，the structural and electrical properties the products of various stages obtained in the process of preparing graphene have been studied based on the experimental characterization and theoretical study．The graphite oxide samples with different oxidation levels were prepared by changing the process factor parameters based on the Hummers method．The stable graphene oxide suspensions were prepared by ultrasonic stripping of graphite oxide and then followed by high—speed centrifugation．The reduction of graphite· and graphene-oxide have been carried out by using hydr