石墨烯化学还原制备方法的改进及其研究开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

随着社会的不断发展,纳米材料由于其“更轻,更高,更强”的优良性能已然成为当今材料领域的研究热点。石墨烯是一种由碳原子以spsup2;杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料[1,2],独特的平面分子结构赋予了它优良的电学性能、热性能、力学性能、光学性能和高比表面积,近年来受到化学、物理、材料、能源、环境等领域的极大重视,应用前景广阔,被公认为二十一世纪的革命性材料[3]。其在储能与光电器件领域的研究尤为火热,在储能领域,早期有研究者将石墨烯运用在超级电容器与锂离子电池中,发现石墨烯独特的层片状结构提供了大量附着位点从而有利于载流子等金属离子的储存与脱嵌,提高了电容器的储能密度与电池的充放电能力[4-6]。在光电器件领域,石墨烯可用来制造太阳能电池、晶体管、电脑芯片、触摸屏等,石墨烯散热薄膜也广泛用于超薄大功耗电子产品[7-8]。石墨烯材料的发展趋势预示着在不久的将来它有望替代传统材料在各领域大放异彩。

石墨烯的制备方法主要有机械剥离法[9]、化学气相沉积法[10]、氧化还原法[11]、晶体外延生长法[12]。由于操作简单,产量高,氧化还原法是当前制备石墨烯最常用的方法,其原理是在强氧化剂作用下,使石墨层间距扩张,形成片层或者边缘带有羰基、羧基、羟基等基团的氧化石墨,然后在水溶液或有机溶剂中超声处理,即可形成均匀分散的单层氧化石墨烯,再通过还原剂还原氧化基团制得石墨烯。制备氧化石墨的方法通常有brodie法[13]、standenmaier法[14]和hummers法[15]。目前还原氧化石墨烯的主要方法有:化学还原法、电化学还原法、热还原法等,其中化学还原方法是研究最多的一种还原方法。主要包括肼及其衍生物还原、维生素c还原、nabh4还原、强碱还原、hi还原和溶热还原等。传统还原法基本上采用的单一反应介质,但实验室研究发现氧化石墨烯(go)具有两亲性,由边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布,化学还原法其实是实现亲水氧化石墨烯(go)向疏水石墨烯(rgo)的转变[16],传统还原方法很难实现二者同时达到良好的分散,从而rgo片层之间发生不可逆团聚,导致rgo的导电性能下降,因此如何解决rgo片层团聚成为研究难点。

pei等人以hi作为还原剂成功制得rgo膜,对比肼蒸汽还原等其他方法制得的膜,该膜的导电性和c/o原子比均要高得多,发现这可能由于hi与go上的含氧官能团发生了亲核取代反应减少了含氧官能团之间的相互作用,有效阻隔了层间团聚,从而提高了膜的导电性能[17]

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2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备:采用改进hummers法制备氧化石墨,以hi为还原剂,以萘/egm为反应介质制备单层石墨烯。

材料表征:通过xrd、拉曼、xps、sem等表征手段对制备的单层石墨烯的形貌结构及组织成分进行了分析。

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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,了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告;

第4-7周:按照设计方案,用改进法制备石墨烯,考察不同比例的表面活性剂和极性溶剂以及不同还原剂对石墨烯电导率的影响;

第8-12周:采用xrd、拉曼、xps、sem等测试技术对石墨烯进行表征;

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4. 参考文献(12篇以上)


[1] a. k. geim, science, 2009, 324,1530–1534.

[2]a. k. geim and k. s. novoselov,nat. mater., 2007, 6, 183–191.

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