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摘 要

本文研究了石墨烯的结构与性能、应用与制备方法，探索了用氧化还原法制备石墨烯的诸多方法，并提出一种改性Hummers法制备氧化石墨烯的配方，同时还研究了在还原步骤中所用到的还原剂的种类及其特点，探索了制备条件如温度与时间对还原氧化石墨烯性能的影响。

研究结果表明，在氧化还原制备石墨烯过程中，最广泛的制备氧化石墨烯的方法是改性Hummers法。而在还原步骤中，本研究则没有选择使用的最广泛的水合肼还原剂，而是选择了有诸多优点的氢碘酸，同时还研究了反应温度和时间对氢碘酸还原氧化石墨烯性能的影响，最终得出在100 ℃下用氢碘酸还原60 min是最佳还原方案的结论。

本文所得出的结果对于用更简便的方法制备出性能更优异的石墨烯来说有很大的指导意义，也为石墨烯材料在未来更广泛的应用打下了基础。

关键词：氧化石墨还原法，改性Hummers法，氢碘酸还原，制备条件

Abstract

In this paper, we study the structure, properties, applications and preparation methods of graphene, explore the graphene which is prepared by many redox methods, and put forward a kind of modified Hummers method to prepare graphene oxide. Besides, the types and characteristics of reducing agent is studied, and the influence of the preparation conditions such as temperature and time on the reduction of graphene oxide is explored.

The results show that in the process of preparing graphene by redox method the most widely used method for preparing GO is the modified Hummers method. In the reduction step, it’s not hydrazine hydrate, the most widely used reducing agent, but hydroiodate which has many advantages that is chose to reduce graphene oxide. Meanwhile, the effect of reaction temperature and time on the performance of hydroiodate reducing progress is also studied. Finally, it is concluded that 60 min of hydroiodate reduction at 100 ℃ is the best reduction scheme.

The results obtained in this paper have great guiding significance for the preparation of graphene with better performance by a simpler method, and also lay a foundation for the wider application of graphene materials in the future.

Key Words：Graphite oxide reduction process, Improved hummers method, Hydroiodate reduction, Preparation condition

目录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2石墨烯的结构与性能 1

1.3 石墨烯的应用现状 2

1.4 石墨烯的制备方法 3

1.4.1 机械剥离法 3

1.4.2 液相剥离法 3

1.4.3 氧化石墨还原法 4

1.4.4 表面外延生长法 4

1.4.5 化学气相沉积法 5

1.5本课题研究内容及意义 5

第2章 氧化石墨烯的制备 7

2.1 氧化石墨烯的性质 7

2.2 氧化石墨烯的制备方法 7

2.2.1 Brodie法 7

2.2.2 Staudenmaier法 8

2.2.3 Hummers法 8

2.2.4 改性Hummers法 8

2.3 技术方案 9

2.4 性能表征 10

第3章 还原氧化石墨烯的制备 12

3.1 还原剂的种类 12

3.1.1 肼及其衍生物还原 12

3.1.2 硼氢化钠还原 13

3.1.3 绿色还原剂还原 13

3.1.4 其他还原剂还原 14

3.2 技术方案 14

3.3 还原温度 15

3.4 还原时间 16

3.5 小结 16

第4章 结论 17

参考文献 18

致谢 21

第1章 绪论

1.1 引言

近年来，石墨烯一直活跃在人们的视野中，对社会的发展起着举足轻重的作用。随着逐渐深入对石墨烯的研究，它的化学与物理性质也变得逐渐清晰起来。石墨烯是世界上强度最高的二维碳纳米材料，它的内部结构是碳原子以sp²杂化轨道组成的六角型蜂巢结构^[1]。英国的Geim等最先用胶带不断粘贴高定向热解石墨的方法，第一次成功制得单层的石墨片即石墨烯^[2]，这个巨大的成功也证实了单层的二维碳材料确实是能够符合热力学定律而存在的。之后，这个结果在科学界引起了轰动，许多科研工作者都怀揣着极大的热情地开展了对于石墨烯的各种特殊性质的探索。由于碳原子之间碳碳键存在相互作用以及大π键的作用，使得石墨烯具有优异的力学性能、导电性能及光学性能等诸多优异特性，其电子的运动速度甚至能够达到光速的1/300^[3]。正是因为拥有这些突出的物理化学性能，石墨烯材料在电化学、聚合物、生物医学、环境等领域都得到了广泛应用。

1.2石墨烯的结构与性能

石墨烯由碳原子六角型蜂巢结构紧密排列而成，这种结构中的石墨烯原子层呈空间状而不是平面状^[4]。通常情况下，石墨烯为单原子层结构，只有在比较少数特殊情况下，由于在多维空间上会形成连接和接触，石墨烯本身的单层结构之间会形成一定的联系，就会导致多层石墨烯片层结构的产生^[5]。石墨烯也是构成多种碳结构材料的基本结构单元，如富勒球、碳纳米管和石墨等。这几种材料的形成方式不同，前两种材料是单层结构，只不过发生了一点变形，而石墨是三维结构，它由石墨烯层与层之间的相互吸引力堆叠而成，所以石墨烯就相当于单层的石墨晶体。石墨晶体的结构不属于任何一种晶体结构，而更像是多种结构的线性组合体，从不同的层面上看它的结构属于不同的类型。从单层结构上看，石墨是多个碳原子通过共价键相互连接到一起形成的物质，因此其结构类型为原子晶体，碳原子以较强的连接力结合在一起；但从整体上看，石墨晶体是由许多的石墨烯层通过范德华力的吸引作用而形成的，这种连接方式是分子晶体中常有的，其连接强度较小^[6]。因此，研究如何制备出单层结构的石墨烯成了广多科学家的关注点。

单层石墨烯的特殊褶皱结构可以抑制石墨烯的热涨落，从而保持了结构稳定^[7]，使得石墨烯拥有其他物质所没有的力学、热学、电学和光学等性能。石墨烯的单层碳原子结构^[8]使得它的比表面积和光透射率都很高，分别可以达到2630 m² / g和97.7 %（几乎接近透明）。常温下石墨烯的电子迁移率约为硅的100倍以上，最高可以达到1.5×10⁴ cm²·V^-1·s^-1；导热系数是铜的10倍，即5300 W·m^-1·K^-1[2]。除此之外，石墨烯的力学性能也不容小觑，它具有很高的强度和韧性，是目前世界上最硬、最薄的一种新材料^[4]，强度（130GPa）约为钢的100倍，拉伸模量和断裂强度分别可达1.0 TPa和125 GPa^[2]。在化学方面，石墨烯的性能优势也不容小觑，其中包括强疏水性和强化学稳定性等。此外，石墨烯稳定的正六边形蜂窝状晶格结构^[8]使它还具有量子霍尔铁磁性、分数量子霍尔效应等一系列电学性质。室温下的量子霍尔效应温度范围与原来相比扩宽了10倍，这个数据也表明石墨烯具有优异的电学性能^[4]。

1.3 石墨烯的应用现状

在电化学能源领域，得益于其优异的电化学性能，石墨烯在提高锂离子电池的性能、容量和循环稳定性等方面都有很好的应用前景。石墨烯具有优异的导电性能，它的内阻较低，电导率很高；它还具有稳定的物理化学性质，在高压下，仍可以保持结构稳定；石墨烯的比表面积可以达到2630 m² / g，这个数值甚至比碳纳米管等其他材料的更高，因此当它用于制作典型的双层超级电容器电极材料时，旁边的电解液可以充分地浸润其露出的表面，这种电容器一般具有很高的比容量，十分适合大电流快速充放电。以上种种原因都使得石墨烯广泛应用于制作超级电容器和太阳能电池^[9]。

在生物医学领域，石墨烯能用于纳米DNA测序，用它制成的生物医学传感器可以进行生物成像和疾病诊断。由于具有低毒性、可以结合核苷酸、可以保护核苷酸免于被酶分解、易于被细胞摄取以及化学修饰等性能，石墨烯及其衍生物常常在用作基因载体的材料选择范围之内。除此之外，石墨烯纳米材料具有明显的抗菌效果和不同于传统的抗生素的独特的结构特性，因此可以作为高效安全的抗菌剂，在抗菌材料的研制中有很好的应用前景^[1]。

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