【摘要】：石墨烯是一種有著廣泛應(yīng)用前景的新型材料,隨著石墨烯研究的深入,其結(jié)構(gòu)缺陷的特點及應(yīng)用問題吸引了眾多研究者的關(guān)注。石墨烯的結(jié)構(gòu)缺陷可分為兩類:一類為本征缺陷,由石墨烯結(jié)構(gòu)中非sp~2雜化的碳原子組成;第二類為外引入缺陷,由石墨烯片層中與碳原子以共價鍵形式相連的其他原子如O,N等組成。此外,多層石墨烯堆疊、并域為類石墨結(jié)構(gòu)時也會產(chǎn)生缺陷。以上這些缺陷的存在影響著石墨烯及相關(guān)材料的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等性質(zhì),因此如何認(rèn)識這些缺陷的特點及利用、控制這些缺陷顯得十分重要。石墨烯的外引入缺陷如O,可在石墨烯上形成多種含氧官能團(tuán)(如C-O-C、C-OH、C(O)O),從而使石墨烯具有一定親水性,擁有一定量氧原子的石墨烯甚至可以在純水中均勻分散,這種材料通常被稱為氧化石墨烯。本論文利用分子動力學(xué)模擬和實驗相結(jié)合的方法研究了氧化石墨烯在純水和無機鹽水溶液中不同的運動行為,發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯在純水中可以均勻分散,在無機鹽水溶液中卻趨于團(tuán)聚運動。模擬計算表明,導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是:氧化石墨烯均勻分散在水中是基于其含氧官能團(tuán)被水化,但是由于鹽離子的強水化作用,無機鹽水溶液中的氧化石墨烯含氧官能團(tuán)周圍用于水化的水分子減少,水化減弱,從而使氧化石墨烯在鹽溶液中的運動能力變小(如純水中氧化石墨烯的運動能力約為NaCl水溶液中的4倍),氧化石墨烯運動能力的減小最終導(dǎo)致其趨于團(tuán)聚。進(jìn)一步研究表明,這樣的團(tuán)聚行為與無機鹽的濃度、離子種類有關(guān)�；谘趸┰跓o機鹽中弱的運動能力,本研究發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯薄膜在鹽溶液中(如Na2SO4水溶液)具有高的抗損壞性能,即使給予頻率30 kHz,功率100 W的超聲處理,也可以保持原貌。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),將氧化石墨烯薄膜在鹽溶液中水熱處理,可以得到完整的還原氧化石墨烯薄膜,此種薄膜電阻率為0.08?cm,遠(yuǎn)低于未還原氧化石墨烯薄膜的電阻率(20 k?cm)。電阻率大幅減小的原因是:石墨烯結(jié)構(gòu)內(nèi)含氧官能團(tuán)的部分移除。基于氧化石墨烯在純水中可均勻分散,并具有大分子性,本研究使用氧化石墨烯在水環(huán)境下完成了其在高強度炭球表面的自組裝,利用高溫處理手段移除部分含氧官能團(tuán)后,成功制備出了高強度導(dǎo)電炭球,使得炭球電阻下降為原來的40%。此外,由于高強度炭球在我國還未見工業(yè)化生產(chǎn),因此本研究使用的高強度炭球采用自行研發(fā)的新工藝合成,在優(yōu)化條件下,以粒徑約800μm的炭球為例,本研究合成的炭球平均強度可以達(dá)到50 N,達(dá)到先進(jìn)水平。氧化石墨烯在惰性氣氛中高溫處理,可以移除部分含氧官能團(tuán),但同時會由于氧原子伴隨著碳原子脫除而形成空洞,從而導(dǎo)致新本征缺陷的出現(xiàn)。本論文利用高斯模擬方法,發(fā)現(xiàn)石墨烯內(nèi)部各原子的電荷分布由于共軛л鍵的存在是均勻的,但部分區(qū)域的缺陷改變了這種均勻的電荷分布,這種改變導(dǎo)致石墨烯缺陷區(qū)域具有更高的反應(yīng)活性。利用這種反應(yīng)活性的不同,本研究發(fā)現(xiàn)高溫空氣可以選擇性氧化去除石墨烯缺陷區(qū)域,保留非缺陷區(qū)域,并據(jù)此建立了選擇性表面氧化方法用于控制石墨烯缺陷。本論文中,研究了各向同性瀝青經(jīng)炭質(zhì)中間相轉(zhuǎn)化為中間相炭微球(MCMBs)過程中的石墨烯形成與并域缺陷特點。研究發(fā)現(xiàn)并域缺陷導(dǎo)致MCMBs表面相中的多層石墨烯長程有序尺度小于5μm,這與MCMBs內(nèi)部幾十微米的長程有序區(qū)域形成了明顯對比。進(jìn)一步研究表明,MCMBs表面和內(nèi)部的石墨烯分子中sp~2與非sp~2雜化碳原子含量近似,二者的區(qū)別僅在于石墨烯并域過程中有序尺度的不同。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ127.11

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本文編號：2252144