【摘要】：氧化石墨層間距直接決定其性質(zhì)和應(yīng)用,其片層含有的官能團(tuán)極易將極性溶劑吸附到層間,溶劑與氧化石墨片層的交互作用引起層間距變化,而層間距的變化又會(huì)決定極性溶劑在層間的存在形式。本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了氧化石墨吸附極性溶劑乙二醇(EG,C_2H_6O_2)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF,C_3H_7NO)、N-甲基吡咯烷酮(NMP,C_5H_9NO)和水分子后,極性溶劑分子與氧化石墨片層之間的交互作用。采用傅里葉變換紅外光譜和X射線衍射表征吸附極性溶劑分子后氧化石墨的結(jié)構(gòu)變化,采用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法研究極性分子與氧化石墨片層的交互作用引起的氧化石墨層間距的變化,并研究影響氧化石墨層間距的因素。結(jié)果表明,氧化石墨的層數(shù)越多,氧化石墨的結(jié)構(gòu)越緊密;吸附溶劑后氧化石墨層間距增大的值與極性溶劑分子三維尺寸的最小值一致;吸附溶劑分子的數(shù)目越多,氧化石墨的層間距越大;大部分的溶劑分子傾向于平行氧化石墨碳層,隨著層間吸附更多的溶劑,部分分子垂直其碳層;當(dāng)氧化石墨同時(shí)吸附兩種組分的溶劑,相比于水分子,其它極性溶劑因分子尺寸較大會(huì)在增大氧化石墨層間距中起著至關(guān)重要的作用。本文研究了水分子進(jìn)入氧化石墨層間后與片層上的官能團(tuán)間交互作用的氫鍵力、水分子行為和氧化石墨的結(jié)構(gòu),從分子尺度揭示氧化石墨層間距的變化規(guī)律。結(jié)果表明,氧化石墨片層上的官能團(tuán)和水分子之間形成的氫鍵在控制氧化石墨和水的交互作用中起著重要作用。隨著含水量的增大,水分子簇越來(lái)越明顯,水分子與片層之間的由結(jié)合態(tài)向自由態(tài)過(guò)渡,這也使得在較低含水量時(shí)難以將其從氧化石墨中分離,水分子的加入同時(shí)也增大了氧化石墨的層間距。本文的研究結(jié)果為后續(xù)氧化石墨的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ),對(duì)石墨基材料的改性和復(fù)合材料的制備提供一定的參考價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：O613.71;O641.3
【圖文】：

第 1 章 文獻(xiàn)綜述烯簡(jiǎn)介幾十年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)碳納米材料的研究取得了舉世矚目的英國(guó)化學(xué)家在 1985 年發(fā)現(xiàn)的類(lèi)似于足球形狀的富勒烯(C60)米材料研究的大門(mén)。幾年后日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了作為一維碳納米納米管(CNTs)[2]，因其具有更加獨(dú)特的結(jié)構(gòu)引發(fā)了全世界學(xué)者快了二維碳納米材料的誕生。英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科K.S.Novoselov，于 2004 年通過(guò)微機(jī)械剝離這種物理方法成功中剝離出僅有一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是二維碳納米材料ne)[3]。

特性以及熱性能，如：室溫下其載流子遷移率達(dá) 2×105m2/(VS)[5]；理量達(dá) 1100GPa[6]，固有拉伸強(qiáng)度為 130GPa[7]；純的無(wú)缺陷石墨烯的導(dǎo)0W/(mK)[8]。由于石墨烯具有如此優(yōu)異的物理性質(zhì)以及在各行各業(yè)突出值，大規(guī)模、低成本、可控性合成和制備石墨烯具有重要的理論和工程意目前，石墨烯的制備方法大致分為氧化石墨還原法[9]、微機(jī)械剝離法[10離法[11]、晶體外延取向生長(zhǎng)法[12]以及化學(xué)氣相沉積法[13]。其中，氧化石制備石墨烯具有低成本、設(shè)備要求簡(jiǎn)單、易于大規(guī)模大批量生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)有可能規(guī)�；苽涫┑姆椒āＱ趸�原法的步驟如下圖 1-2 所(1) 采用強(qiáng)氧化劑將石墨氧化，在石墨片層邊緣引入羧基，在石墨層間羥基、環(huán)氧基和酮基[14-17]，含氧官能團(tuán)的加入增大了碳層平面的層間距范德華力，有利于石墨片層的剝離；(2) 對(duì)氧化得到的氧化石墨經(jīng)超聲波處理，剝離得到氧化石墨烯分散液(3) 還原劑還原上述得到的氧化石墨烯分散液[18,19]，還原后氧化石墨烯能團(tuán)消失，制得石墨烯產(chǎn)品。

圖 1-3 氧化石墨的各種模型結(jié)構(gòu)Fig.1-3 Summary of various structural models of graphite oxide目前 Lerf-Klinowski 模型被大量學(xué)者認(rèn)可和使用，氧化石墨層間容易嵌入水分子，碳原子在平面內(nèi)通過(guò)較強(qiáng)的共價(jià)鍵以六元環(huán)的形式結(jié)合在一起，在層間則和插入的水分子通過(guò)氫鍵結(jié)合。1.2.2 氧化石墨制備方法目前，氧化石墨主要由天然石墨粉末在強(qiáng)氧化劑的氧化作用下制得，其合成方法主要有 Brodie 法、Staudenmaier 法和 Hummers 法，這三種方法都是采用強(qiáng)氧化劑和強(qiáng)酸對(duì)石墨粉末進(jìn)行化學(xué)氧化和插層處理，在石墨片層表面氧化得到含氧官能團(tuán)，制得氧化石墨。由于每種方法的操作方式不同，強(qiáng)氧化劑和強(qiáng)酸也不相同，因而制備氧化石墨所需要的反應(yīng)時(shí)間也不相同。1859 年，Brodie[23]在發(fā)煙硝酸(HNO3)體系中，將氯酸鉀(KClO3)作為強(qiáng)氧化劑，控制反應(yīng)釜溫度在 60℃-80℃，進(jìn)行多次氧化洗滌以提高產(chǎn)品的氧化程度

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本文編號(hào)：2786442