哈师大化学系毕业论文石墨烯

哈尔滨师范大学学年论文题目神奇的石墨烯学生刘婧指导教师路嫔年级2008级专业化学学系别化学系学院化学化工学学院哈尔滨师范大学年月论文提要近年来石墨烯由于在众多高科技领域的潜在应用价值引起了人们的极大关注。它以其独特的结构和优异的性能，在化学、物理和材料学界都引起了轰动。在这样的研究背景下，回顾石墨烯的历史及性质，着重介绍石墨烯的制备和表征等方面了解石墨烯的研究现状，并通过评述石墨烯的合成、功能化以及近期应用概况，来进一步了解它的研究意义。展望了石墨烯的发展前景和研究方向，通过借鉴各种方法的优势，综合运用，可以制备单层、结构完整和高电导率的石墨烯，并进一步将其功能化，拓展其应用领域并已取得较大的进展。在短短的几年间，石墨烯从一个新生儿快速成长为科学界的新星，自身优异的性能渐渐被发掘和开发，石墨烯作为很多领域非常有潜力的替代材料，还存在很多问题，有待我们共同进一步深入研究。神奇的石墨烯刘婧摘要：简要回顾了石墨烯的历史及性质，着重介绍了石墨烯的制备和表征方法。3年来，石墨烯以其独特的结构和优异的性能，在化学、物理和材料学界引起了轰动。引用大量最新的参考文献，介绍了石墨烯的研究现状，通过评述石墨烯的合成、功能化以及近期应用概况，展望了石墨烯的发展前景和研究方向，认为借鉴各种方法的优势，综合运用，可以制备单层、结构完整和高电导率的石墨烯，并进一步将其功能化，拓展其应用领域并已取得较大的进展，这一途径被认为是石墨烯规模化应用的战略起点。关键词：石墨烯，功能化石墨烯，合成，性能，应用一研究背景近年来石墨烯由于在众多高科技领域的潜在应用价值引起了人们的极大关注。石墨烯是单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料[1]，是构建其他维度碳质材料(如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨)的基本单元。石墨烯的理论研究已有60多年的历史，而真正能够独立存在的二维石墨烯是2004年由英国曼彻斯特大学的物理学教授Geim[2]等利用胶带剥离高定向石墨的方法获得，并发现石墨烯载流子的相对论粒子特性[3.4]。2007年，Meyerl5甚至实现了将单个的片状石墨烯在空气中或真空中悬挂于微型支架上，从而引发了石墨烯的研究热潮。二研究意义石墨烯具有良好的导热性[3000W／(m·K)]、高强度(110GPa)和超大的比表面积(2630mZ／g)。这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及复合材料等领域有光明的应用前景[2书]。经研究发现，合成石墨烯的方法已有很多，例如微机械剥离、化学气相沉积、氧化一还原，以及最新溶剂剥离和溶剂热法，其中氧化一还原法以其简单和多元化的工艺，成为制备石墨烯及功能化石墨烯的最佳方法。近年来的研究表明，石墨烯的功能化解决了石墨烯自身难加工的特性，开拓了石墨烯的应用领域，使其具有许多优异的力学、热学、电学和化学性能，引起了整个科学界的关注，取得了重大成果。本文着重介绍了几种制备石墨烯方法的优缺点并总结了这些方法的实质，为规模化制备高质量石墨烯提出了新思路，并引用了大量最新的参考文献介绍石墨烯的功能化和近期应用概况。三石墨烯的性质石墨烯除了有特殊的结构外，还具有一系列独特的性质。最显著的是它的导热性和机械强度。石墨烯本身就是一个良好的导热体，可以很快地散发热量，而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力，所产生的热量也非常少；而它的强度可以和碳纳米管相媲美，理想强度可达110--130GPa[6]。理想的单层石墨烯具有超大的比表面积(2630m2／g)【7】，是很有潜力的储能材料；同时石墨烯又是一种非常优异的半导体材料【8．9】，具有比硅高很多的载流子迁移率(2×105cm2／V)，因为即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可为微米级。石墨烯还是目前已知在常温下导电性能最优秀的材料，电子在其中的运动速度远远超过了一般导体，达到了光速的1／300；这一特性使其在纳电子元件、传感器、晶体管及电池中有着巨大的应用前景。氧化石墨烯的表面改性。利用含有两个异氰酸酯基团的甲苯2，4-二异氰酸酯作为桥联剂将具有双亲功能的高分子接枝到氧化石墨烯的表面，从而获得了具双亲功能的氧化石墨烯。改性后的石墨烯能够同时在水和有机溶剂中稳定地分散。四石墨烯的制备。以还原性较弱的乙醇和乙二醇为还原剂，分别利用醇热法和多元醇还原法，实现了对氧化石墨烯的选择性还原。经过乙醇和乙二醇处理后的氧化石墨烯，只有环氧基功能团可以被还原，而对羟基和羧基的还原效果则比较差。由于只是部分还原，氧化石墨烯的石墨化程度比水合肼还原的要低，因而醇还原后的石墨烯所具有的导电率介于氧化石墨烯和深度还原后的氧化石墨烯之间。基于石墨烯的纳米粒子复合物(1)在有机溶剂正己醇中，通过硝酸钴盐在氧化石墨烯表面原位分解成核形成Co3O4粒子，从而获得了氧化石墨烯-Co3O4复合物。由于可能结合了氧化石墨烯和Co3O4两种组分对高氯酸铵的催化热分解作用，氧化石墨烯-Co3O4复合物的添加不仅降低了高氯酸铵的热分解温度，同时也提高了其放热量。(2)以氧化石墨烯为前驱体，采用了水-乙二醇混合体系，制备了石墨烯-贵金属纳米粒子(Au，Pt，Pd)复合物。在反应体系中，金属纳米粒子被乙二醇还原并吸附在氧化石墨烯的表面，然后作为催化剂，在较低的温度下催化乙二醇还原氧化石墨烯，从而最终得到石墨烯负载金属纳米粒子复合物。以石墨烯-Pt复合物为模板，利用循环伏安法考察了该复合物在甲醇燃料电池上的应用。结果显示了石墨烯-Pt复合物对甲醇具有很好的催化活性，且具有很好的抗中毒性和循环寿命。(3)采用了醇热法制备了石墨烯负载TiO2纳米粒子的复合物。在160℃反应温度下，钛酸四丁酯可以分解形成TiO2纳米粒子，并且负载在醇还原的石墨烯单片上，从而形成石墨烯-TiO2纳米粒子复合物。通过改变反应过程中钛酸四丁酯的用量，还可以调节负载在石墨烯表面的TiO2纳米粒子的量，获得不同石墨烯与TiO2配比的复合材料。以氧化石墨烯为纳米衬底，采用了银镜反应制备了准二维的银纳米粒子膜。通过该方法制备的二维银纳米粒子膜具有很好的灵活性，能够在水中分散形成稳定的悬浮液。将这种稳定悬浮的银纳米粒子膜进行堆砌组装，可以形成具有镜面反射性质的连续的宏观粒子膜。这类纳米粒子膜具有拉曼增强性能，使吸附在银粒子膜上的氧化石墨烯的拉曼信号有着明显增强，并且信号增强的程度可以通过控制银纳米粒子的密度进行调节。五石墨烯的表征1、利用Staudenmaier方法通过天然石墨(NaturalGraphite)制备了完全氧化的氧化石墨，并通过超声剥离的方法制备了依然含有大量氧元素的氧化石墨烯；2、利用十二烷基硫酸钠(SDS)、硅烷偶联剂KH560对氧化石墨烯进行表面改性，以便利于氧化石墨烯在环氧树脂中的分散；3、将制得的未改性的氧化石墨烯和被十二烷基硫酸钠、KH560改性的氧化石墨烯分别和环氧树脂复合，制备得到环氧树脂/氧化石墨烯纳米复合材料；4、对制备得到的环氧树脂/氧化石墨烯纳米复合材料进行TEM、TG、XRD、锥形量热仪、介电测试等表征，验证氧化石墨烯在改善环氧树脂功能性方面起到的作用。研究结果表明，在氧化石墨烯和环氧树脂的复合过程中，氧化石墨烯良好分散，而1wt％的氧化石墨烯的加入改善了环氧树脂的热稳定性和阻燃性能，同时1wt％的氧化石墨烯使纳米复合材料的介电常数大幅下降。六石墨烯的应用6．1透明电极工业上已经商业化的透明薄膜材料是氧化铟锡(ITO)，由于铟元素在地球上的含量有限，价格昂贵，尤其是毒性很大，使它的应用受到限制。作为炭质材料的新星，石墨烯由于拥有低维度和在低密度的条件下能形成渗透电导网络的特点被认为是氧化铟锡的替代材料，石墨烯以制备工艺简单、成本低的优点为其商业化铺平了道路。Mullen研究组[24]通过浸渍涂布法沉积被热退火还原的石墨烯，薄膜电阻为900Q，透光率为70％，薄膜被做成了染料太阳能电池的正极，太阳能电池的能量转化效率为0．26％。2009年，该研究组采用乙炔做还原气和碳源，采用高温还原方法制备了高电导率(1425S／cm)的石墨烯，为石墨烯作为导电玻璃的替代材料提供了可能。6．2传感器电化学生物传感器技术结合了信息技术和生物技术，涉及化学、生物学、物理学和电子学等交叉学科。石墨烯出现以后，研究者发现石墨烯为电子传输提供了二维环境和在边缘部分快速多相电子转万方数据化工新型材料第38卷移，这使它成为电化学生物传感器的理想材料。Chen等[2阳采用低温热退火的方法制备的石墨烯作为传感器的电极材料，在室温下可以检测到低浓度NOz，作者认为如果进一步提高石墨烯的质量，则会提高传感器对气体检测的灵敏度。石墨烯在传感器方面表现出不同于其它材料的潜能，使越来越多的医学家关注它，目前石墨烯还被用于医学上检测多巴胺、葡萄糖等。6．3超级电容器超级电容器是一个高效储存和传递能量的体系，它具有功率密度大，容量大，使用寿命长，经济环保等优点，被广泛应用于各种电源供应场所。石墨烯拥有高的比表面积和高的电导率，不像多孑L碳材料电极要依赖孔的分布，这使它成为最有潜力的电极材料。Chen等[26]以石墨烯为电极材料制备的超级电容器功率密度为10kW／kg，能量密度为28．5Wh／kg，最大比电容为205F／g，而且经过1200次循环充放电测试后还保留90％的比电容，拥有较长的循环寿命。石墨烯在超级电容器方面的潜在应用受到更多的研究者关注。6．4能源存储众所周知，材料吸附氢气量和其比表面积成正比，石墨烯拥有质量轻、高化学稳定性和高比表面积的优点，使其成为储氢材料的最佳候选者。希腊大学Froudakis等[27]设计了新型3D碳材料，孔径尺寸可调，他们将其称为石墨烯柱。当这种新型碳材料掺杂了锂原子时，石墨烯柱的储氢量可达到6．1％(wt)。Ataca等[28]用钙原子(Ca)掺杂石墨烯，利用第一性原理和从头算起的方法得到石墨烯被Ca原子掺杂后储氢量约为8．4％(wt)；他们还发现氢分子的键能适合在室温下吸／放氢，Ca会留在石墨烯表面，有利于循环使用。Ataca的研究结果又一次推动石墨烯储氢向前迈进一步。6．5复合材料石墨烯独特的物理、化学和机械性能为复合材料的开发提供了原动力，可望开辟诸多新颖的应用领域，诸如新型导电高分子材料、多功能聚合物复合材料和高强度多孔陶瓷材料等。Fan等[29]利用石墨烯的高比表面积和高的电子迁移率，制备了以石墨烯为支撑材料的聚苯胺石墨烯复合物，该复合物拥有高的比电容(1046F／g)远远大于纯聚苯胺的比电115F／g。石墨烯的加入提高了复合材料的多功能性和复合材料的加工性能等，为复合材料提供了更广阔的应用领域。七展望在短短的几年间，石墨烯从一个新生儿快速成长为科学界的新星，自身优异的性能渐渐被发掘和开发，但在石墨烯的研究与应用中仍然存在很多挑战：第一，如何大规模制备高质量石墨烯；第二，石墨烯的很多性质尚不清楚，如电子性能，磁性等；第三，探索石墨烯新的应用领域，目前最有前景的应用有晶体管、太阳能电池和传感器等，不同的应用领域对石墨烯的要求也不同；第四，开拓石墨烯和其它学科的交叉领域，探索石墨烯功能化的新性能。目前有机化学家和材料化学家二者结合，致力于找到更好的合成路线，制备高质量的石墨烯。工程师们也在为开发石墨烯的各种优异的性能而制备更好的器件努力。石墨烯作为很多领域非常有潜力的替代材料，还存在很多问题，有待进一步深入研究。_参考文献【1】GeimAK；Novoselookstheriseofgraphene【J】NatureMaterials，2007，(6)：183～191【2】Novoselooks；GeimAK；Morozovsv，eta1．Electricfieldeffectinatomicallythincarbonfilms【J】．Science，2004，(306)：666～669．【3】Novoselooks；GeimAK；Morozovsv，eta1．Tow—dimensionalgasmasslessdiracfermionsingraphene[J】Nature，2005，(4