液相剥离石墨烯稳定性的计算模拟研究开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1.1课题背景及意义
21世纪初,能够单独存在,有史以来最薄的二维晶体—单层石墨烯研制成功[1],在物理学上具有突破性意义。此后,在科学领域和应用领域,石墨烯都得到了极为广泛和深入的研究。石墨烯研究和应用的快速发展主要归功于其优异的性能如力学、热学、光学、电学等,另一方面也因其原料成本低、污染程度小,有利于推动绿色健康工业的发展、保障人身安全,对社会的进步有着重要的意义。
石墨烯是迄今为止已发现的最薄的物质,厚度为一个原子的尺度,经推算,其面密度为0.77 mg/m2[2]。其结构为碳原子以sp2杂化轨道排列构成的单层二维晶体,其晶格呈六边形蜂巢状。每个碳原子与周围3个相邻碳原子以sp2杂化轨道形成3个σ键,碳-碳键的键长约为0.142 nm,键与键之间的夹角为120°[3]。每个碳原子贡献剩下的一个p轨道电子形成大π键。单层石墨烯是单原子层紧密堆积的二维晶体结构,是构建其他维数碳材料的基础结构单元。单层石墨烯卷成筒状可看作一维碳纳米管[4],而石墨烯六角网面之间通过π电子相互作用也可形成三维体相石墨。石墨烯是已知物质中强度和硬度最高的物质。实验测得石墨烯的弹性模量高达1.0 TPa,断裂强度为42 N/m[5,6],强度为钢的100倍以上。但需指出,以上测得的力学参数均为石墨烯的面内值,实际上,石墨烯的力学性能有着显著的各向异性,这是由于石墨烯层间的联系为弱相互作用(范德华力或π电子之间的耦合作用)。石墨烯还是一种完美的热导体,有着很高的热导率,室温下的实验值约为5000 W/(m·K)[7],而理论值为6000 W/(m·K),此值为室温下金属铜的10倍之多[8],碳的几种同素异构体都具有很高的热导率,而石墨烯则是其中最高的材料,得益于极高的热导率其在微电子器件方面将有广阔的应用前景。石墨烯也具有优异的光学性能,高透光性和低反射率。单层石墨烯对白光的透过率有97.7 %而反射率小于0.1 %[9]。同是也具有非线性光学特征:对入射光的吸收会达到饱和,且对光波有较低的饱和通量。石墨烯自身的原子结构决定了其具有很独特的电学性质,同时还拥有导带结构,所以其具有很高的电荷传输能力[10]。电荷迁移率可达100000 cm2/(V·s),其电阻率为10-6 Ω·cm,是已知物质中电阻率最低的材料[11]。综合考量石墨烯的电学特性与光学性能,可以预见其在透明电极材料领域、光电领域都将有很广阔的应用空间[12]。由于石墨烯的面内存在有碳-碳σ键,故其具有稳定的结构和化学性质。但同时,每个碳原子又含有面外具有相对活性的π电子,以及整体结构中可能存在的面内缺陷和边缘原子所处的环境又使石墨烯具有了一定的化学活性。
通过对石墨烯的科学研究及应用开发,我们能更加了解其真正的价值和意义,它有可能彻底改变当前众多领域的技术。然而,这些开发与研究都要依靠稳定、高质量的石墨烯制备工艺,目前主要的制备法为液相剥离法。稳定的三维石墨可以视为多层石墨烯堆垛而成,各个层间依靠范德华力弱结合,利用力学、热学或化学等方法破坏层间的结合力,则可获得多层甚至单层石墨烯,这种方法称为剥离法[13]。剥离法包括机械剥离法、液相剥离法、热分离法等等,其中,液相剥离法以高效、简便、能获得高质量石墨烯等优势成为目前的主要制备方法。该方法是将粉末状石墨分散在水或有机溶剂中,在液相下利用超声波克服层间作用力使石墨烯分离,此过程中不发生氧化,也不产生面内缺陷,单层石墨烯的产率可达1 %-4 %[14]。在液相剥离法中不同溶剂、不同初始层间距均对石墨烯的稳定性存在一定的影响,本文将利用分子动力学原理,建立石墨烯/溶剂复合体系模型并进行模拟计算,对比分析石墨烯在不同溶剂中的稳定性以及初始层间距对其在不同溶剂中的稳定性有何影响,有助于选择更为合适的溶剂、更利于剥离的石墨烯初始结构,为液相剥离法的发展提供理论依据。
1.2国内外的研究现状
据2016年的统计数据,全球约有80个国家和地区、近300家公司已开展石墨烯及其应用研究,包括IBM、三星、英特尔、通用等科技企业。根据世界专利组织的数据统计,石墨烯专利申请量最多的是美国公和高校,其次是韩国、新加披和德国的公司、高校和科研院所。虽然我国在石墨烯领域的研究起步相对较晚,但在近年来的努力下,文献发表量和专利数量都已跃居全球首位[15]。
随着国内基础研究水平的提高以及相关技术的发展和成熟,各研究机构与企业相继投入大量精力开展石墨烯薄膜的批量生产和应用开发研究,目前相关研究已从发散性基础探索进入工程化、产业化推进阶段。而全球领域内主要的应用研发目前集中在通过CVD方法制备石墨烯及其相关应用,如薄膜生长、掺杂改性、再加工、薄膜转移、晶体管、信息存储、显示器件等。预计未来将在以下领域有所突破:制备技术如氧化还原法、化学气相沉积法等;锂离子电池电极材料、太阳能电池电极材料等;薄膜晶体管;传感器;半导体器件;复合材料;生物工程材料等。


2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容
(1) 文献调研,了解石墨烯物理、化学特性及其剥离方法的研究概括和发展趋势,了解选题与社会、健康、安全、成本以及环境等因素的关系;
(2) 学习掌握微纳米尺度下的计算模拟方法-分子动力学(molecular dynamics, md),并构建基于md模拟的石墨烯/溶剂复合体系模型;
(3) 研究石墨烯在不同溶剂中的稳定性;
(4) 研究不同溶剂中石墨烯初始层间距变化对稳定性的影响。
2.2研究目标
建立基于md模拟的石墨烯/溶剂复合体系模型,通过md模拟计算方法,比较分析石墨烯在不同溶剂中的稳定性。改变石墨烯初始结构,再建立同样的石墨烯/溶剂复合体系模型,比较分析初始层间距变化对石墨烯在不同溶剂中的稳定性有何影响,为推动液相剥离制备法的发展提供理论依据。
2.3技术方案
2.3.1分子动力学
md是一种通过计算机辅助软件模拟来研究分子或分子体系结构与性质的重要研究方法,通过数值求解分子体系经典力学运动方程的方法求得体系的的相轨迹并统计分析体系的结构特征与性质[16]。本文使用gromacs软件对石墨烯/溶剂复合体系进行稳定性计算,该软件是由荷兰罗宁根大学开发的一款开源的分子动力学模拟软件。该软件最初主要用于研究蛋白质、脂类和聚合物体系,后来广泛应用于分析各种化学和生物研究问题[17]。
2.3.2模型的构建
进行模拟分析需要相应的模型,本文使用materials studio软件建立石墨烯与溶剂的分子模型,建立好所需的模型后利用vmd软件构建石墨烯/溶剂复合体系模型。
materials studio软件是美国accelrys公司研发的一款集模拟计算、数据分析和建模于一体的材料计算软件。使用该软件的materials visualizer功能,可以构建有机和无机小分子、各种晶体及高分子材料。图一即为利用materials studio软件构建的(a)甘油及(b)尿素分子模型。

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,完成英文翻译, 明确研究内容,确定技术方案,并完成开题报告;

第4-5周:按照设计方案,构建石墨烯/溶剂体系模型;

第6-10周:完成md模拟计算;

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] novoselov,k. s. electric field effect in atomically thin carbon films [j]. science, 2004,306(5696): 666-669.

[2]朱宏伟, 徐志平, 谢丹. 石墨烯—结构制备方法与性能表征[m].清华大学出版社, 2011.

[3]肖淑娟, 于守武, 谭小耀. 石墨烯的制备方法及其性能研究[j]. 化学世界, 2015, 56(6): 378-382.

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