石墨烯的制备功能化及在化学中的应用.pptVIP

第1页，共17页，星期日，2025年，2月5日什么是石墨烯？石墨烯的分子结构

Themolecularstructureofgrapheme第2页，共17页，星期日，2025年，2月5日石墨烯的概况2004年由NovoselovK.S.和GeimA.K.首次发现。由碳原子以SP2杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体。世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，厚度仅为0.35nm强度达130GPA，是钢的100多倍；热导率可达5000w·m-1·k-1，是金刚石的3倍；电阻率约10-6Ω·cm，比铜或银更低。第3页，共17页，星期日，2025年，2月5日石墨烯的制备机械剥离法用机械力的作用剥离出石墨烯片层。尺寸不易控制，产率低，不适合大规模生产。氧化还原法用强氧化剂在石墨层间引入含氧官能团，通过外力剥离得到单原子厚度氧化石墨烯再进一步还原可得石墨烯化学气相沉积法（CVD）将过渡金属薄片或者膜置于碳氢化合物气体中，过渡金属作为催化剂，在容器中高温使碳氢化合物裂解，从而在基板上沉积形成石墨烯膜。——Novoselov.K.S和Geim.A.K用此法首次制得石墨烯。——此法制得的石墨烯为独立单层石墨烯片，实验条件简单，是目前研究最多的方法。——此方法最大的优点在于可制备出面积较大的石墨烯片。第4页，共17页，星期日，2025年，2月5日晶体外延伸法先将6H-SiC表面进行氧化或H2刻蚀预处理，再在高真空下加热除去氧化物，最后加热至1250℃~1450℃后恒温1min~20min得石墨烯片层。电化学方法将两个高纯的石墨棒平行插入含有离子液体的水溶液中，控制电压在10-20V，30min后阳极石墨棒被腐蚀，液体中的阳离子在阴极还原形成自由基，与石墨烯片中的π电子结合，形成离子液体功能化的石墨烯片，之后经洗涤干燥得到石墨烯。——能够制得1-2碳原子层厚的石墨烯，但难以获得大面积、厚度均一的石墨烯。——此法制备的石墨烯片层大于单原子层厚度。第5页，共17页，星期日，2025年，2月5日石墨烯的功能化为何要功能化？氧化石墨烯石墨烯表面含有大量含氧基团溶解性提高，但导电性下降。化学稳定性高，表面呈惰性状态。片与片之间范德华力强，容易产生聚集。难容于水以及常用有机溶剂第6页，共17页，星期日，2025年，2月5日如何功能化？石墨烯的功能化共价键功能化非共价键功能化惨杂功能化第7页，共17页，星期日，2025年，2月5日共价键功能化由于氧化石墨烯表面含有大量羧基、羟基和环氧基团，因而可以利用这些基团与其他分子之间的化学反应对石墨烯表面进行共价键功能化2006年，Stankovich等利用有机小分子实现了石墨烯的共价键功能化。他们首先制备了氧化石墨，然后利用异氰酸酯与氧化石墨上的羧基和羟基反应，制备了一系列异氰酸酯功能化的石墨烯。该功能化石墨烯可以在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）等多种极性非质子溶剂中实现均匀分散，并能够长时间保持稳定。第8页，共17页，星期日，2025年，2月5日异氰酸酯功能化石墨烯结构示意图石墨烯氧化物及其功能化衍生物具有良好的溶解性，但由于含氧官能团的介入，破坏了石墨烯的大π共轭结构，导致其导电性及其他性能显著降低。第9页，共17页，星期日，2025年，2月5日非共价键功能化对石墨烯表面进行物理吸附和聚合物包裹等，物理吸附和聚合物包裹法对石墨烯的固有结构和性质没有破坏作用，可使结构和性质得到最大程度地保持。石墨烯与被修饰物之间的π-π作用以及超分子包合作用是非共价键功能化的主要机理。石墨烯表面进行物理吸附和聚合物包裹π-π表面功能化石墨烯第10页，共17页，星期日，2025年，2月5日非共价键功能化举例表面修饰剂修饰过程与机理聚苯乙烯磺酸钠（PSS）用PPS修饰氧化石墨烯再进行还原，PPS与石墨烯之间的非共价键作用阻止了石墨烯片的聚集，使该复合物在水中具有较好的溶解性。聚乙烯炔类高分子（PmPV）将膨胀石墨分散到PmPV的二氯乙烷溶液中，然后超声得到石墨烯纳米带，利用PmPV与石墨烯之间π-π相互作用提高其分散性。芘及其衍生物利用石墨烯与芘之间的π-π相互作用，使其在水中形成稳定的分散，并通过抽滤得到石墨烯膜。第11页，共17页，星期日，2025年，2月5日掺杂功能化石墨烯掺杂是实现石墨烯功能化的重要途径之一，是调控石墨烯电学与光学性能的一种有效手段。第12页，共17页，星期日，2025年，2月5日