天然石墨礦產(chǎn)資源豐富,儲量大、性質(zhì)穩(wěn)定,是大規(guī)模制備氧化石墨烯及相關(guān)產(chǎn)品原料的優(yōu)良選擇。以四種不同類型的天然石墨為原料,在結(jié)構(gòu)特征研究的基礎(chǔ)上,采用化學(xué)氧化法制備氧化石墨烯,研究了氧化程度對生成氧化石墨烯產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)影響,并考察其吸附和電化學(xué)性能。為實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯及相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化,提供原料選擇的供理論依據(jù),對高效利用不同類型的天然石墨有重要意義。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)分別對脈石墨VG、大鱗片石墨LG、細(xì)鱗片石墨FG和隱晶質(zhì)石墨AG,四種天然石墨進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征的分析與測試,研究表明,四種石墨具有不同的石墨化度、結(jié)構(gòu)缺陷以及結(jié)晶程度,為不同類型天然石墨的典型代表。從VG到AG,天然石墨的結(jié)晶程度逐漸減弱,石墨化度逐漸降低,且石墨晶體中3R多型含量逐漸增多。同時(shí),石墨結(jié)構(gòu)中含氧量不斷增加,晶胞體積隨氧元素含量的增加而增大,并引入了更多結(jié)構(gòu)缺陷。(2)以四種不同類型的天然石墨為原料,采用水合氧化-超聲剝離的方法制備氧化石墨烯,研究不同氧化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果表明,石墨化度越低,結(jié)晶程度相對較弱,越利于氧化過程的進(jìn)行,越易被氧化,表面暴露的含氧官能團(tuán)越多,在水中的分散性能越好,通過超聲剝離的產(chǎn)率越高,且越易剝離成尺寸厚度小的氧化石墨烯,并生成缺陷程度較高的產(chǎn)物;(3)以四種氧化石墨烯為吸附劑,研究在陽離子藍(lán)溶液中的吸附行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn),四種氧化石墨烯對陽離子藍(lán)的吸附均為自發(fā)的吸熱過程,其中隱晶質(zhì)石墨(AG)的石墨化度較低,生成氧化石墨烯產(chǎn)物(GO-AG)的氧化程度較高,表面暴露出的含氧官能團(tuán)更多,更利于陽離子染料的靜電結(jié)合作用,因而GO-AG表現(xiàn)出的吸附性能最優(yōu)異,飽和吸附量為4248.79 mg/g。(4)對四種氧化石墨烯及其還原產(chǎn)物進(jìn)行電化學(xué)性能測試,結(jié)果表明,氧化石墨烯的雙電層電容性較差,但經(jīng)過水合還原除表面官能團(tuán)后的石墨烯產(chǎn)物,其電化學(xué)性能更加優(yōu)越。其中由大鱗片石墨制備出的還原氧化石墨烯(rGO-LG),表面電化學(xué)惰性含氧官能團(tuán)去除多、結(jié)構(gòu)缺陷低、且修復(fù)程度和面內(nèi)sp~2區(qū)域平均尺寸較大,因此rGO-LG比電容值最大,雙電層電容性能更好。
【學(xué)位單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TD985;TQ127.11
【部分圖文】：

圖 1-1 石墨烯的結(jié)構(gòu)示意圖2 力學(xué)特性石墨烯為已知的強(qiáng)度最大，硬度最高的晶體結(jié)構(gòu)，柔軟易彎曲，兼顧有良好的韌性，其理論的楊氏模量為 1.1 TPa，抗拉強(qiáng)度為 125 GPa，強(qiáng)度極限為 42N/m2[9]。在 100 nm 左右的距離上，石墨烯結(jié)構(gòu)的微粒在破裂前能承受約 2.9 μN(yùn)的壓力�？赏ㄟ^實(shí)驗(yàn)以鉛筆芯的石墨為原料，剝離制備石墨烯，并測量得知其強(qiáng)度較世界最好的鋼材料高出近百倍，結(jié)構(gòu)更是比鉆石還堅(jiān)硬[10]。3 熱學(xué)性能石墨烯熱傳導(dǎo)性能優(yōu)異。理論上，單層石墨烯在室溫時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)為 5300W/mK，均高于金剛石、單壁和多壁碳納米管，更是室溫下金屬銅導(dǎo)熱率的 10倍以上[11-13]�；诂F(xiàn)階段的研究，石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)熱系數(shù)最高的碳材料。此外，石墨烯負(fù)熱膨脹系數(shù)大，并能作為工程應(yīng)用中十分重要的熱界面材料。4 電子特性經(jīng)實(shí)驗(yàn)測量，室溫下石墨烯的載流子遷移率約為 15000 cm2/（V·s），高于硅材料數(shù)十倍。目前，銻化銦為已知的載流子遷移率最高的材料，而石墨烯在其

雙層石墨烯：由兩層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方的二維材料。少層石墨烯：由三到十層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)周期性緊密堆積的碳原子以不同堆構(gòu)成的二維材料。多層石墨烯：由十層以上的以苯環(huán)結(jié)構(gòu)周期性緊密堆積的碳原子堆垛形維材料。2 氧化石墨烯.1 氧化石墨烯簡介氧化石墨烯是石墨烯的氧化物形式，由于原料以及濃度的差異，顏色可亮黃色、棕黃色、土黃色等，經(jīng)過強(qiáng)氧化反應(yīng)，氧化石墨烯表面上暴露出不同種類的含氧官能團(tuán)，使其性質(zhì)更加活潑，因此，氧化石墨烯是后續(xù)合烯、石墨烯衍生材料以及石墨烯基復(fù)合材料的重要過渡產(chǎn)品和中間產(chǎn)物

圖 1-3 氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)圖 氧化石墨烯制備方法1 Brodie 法[23]早在 19 世紀(jì)，研究人員 Brodie 選用 HNO3的發(fā)煙體系，以氧化性較3作為氧化劑，整個(gè)反應(yīng)體系的溫度維持在 0℃左右，隨后不斷攪拌反用去離子水對產(chǎn)物進(jìn)行洗滌，進(jìn)而得到最終的氧化產(chǎn)品，然而較低的限制了后續(xù)的功能應(yīng)用，因此需要進(jìn)行數(shù)次的氧化反應(yīng)以提高產(chǎn)物的。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以對氧化反應(yīng)的時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而通過時(shí)間氧化程度，并且合成的氧化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)比較規(guī)整，而缺點(diǎn)則是總體反應(yīng)，KClO3作氧化劑具有一定的危險(xiǎn)性，可能引起爆炸。2 Staudenmaier 法[24]較 Brodie 法不同，Staudenmaier 法對藥劑的選擇有所調(diào)整，采用濃 煙 HNO3組成混酸體系，對石墨粉進(jìn)行氧化反應(yīng)。氧化劑同樣為 KClO應(yīng)體系的溫度也需要一直維持在 0℃左右。產(chǎn)品的氧化程度隨著時(shí)間的
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前5條

1 邱楊率;鱗片石墨浮選行為及新工藝研究[D];武漢理工大學(xué);2016年

2 田正山;氧化石墨烯功能化應(yīng)用研究[D];東南大學(xué);2015年

3 胡曉陽;碳納米管和石墨烯的制備及應(yīng)用研究[D];鄭州大學(xué);2013年

4 曾延波;新型表面分子印跡和識別聚合物材料的制備及其在電化學(xué)傳感器的應(yīng)用研究[D];華東師范大學(xué);2013年

5 劉忠良;碳化硅薄膜的外延生長、結(jié)構(gòu)表征及石墨烯的制備[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

本文編號：2851533