摘 要

石墨烯是一种具有二维平面结构的新型碳纳米材料。目前，石墨烯及其相关材料的研究正在大力开展，并且被广泛应用。其中，由于石墨烯具有优良的电化学性能，在超级电容器、电化学传感器、电池电极等邻域具有良好的应用前景。

本论文旨在研究碱土金属离子对化学还原石墨烯的电化学性质的影响。首先，以合成高纯石墨为原料，采用改进的Hummers法制备了氧化石墨，通过XRD、FT-IR表征，表明氧化效果良好；用超声波细胞破碎机对氧化石墨超声处理得到氧化石墨烯溶液，通过UV-vis和AFM表征，表明剥离得到单层的氧化石墨烯片层。然后，通过吸附并用水合肼还原得到含有不同碱土金属离子吸附量的石墨烯。最后，用制得的石墨烯修饰玻碳电极，进行循环伏安测试和交流阻抗测试，探究其电化学性质。研究结果表明，Mg² 、Ca² 、Ba² 三种碱土金属离子都会对石墨烯电化学性质产生影响，并且呈现出相似的规律：随着碱土金属离子含量的增加，石墨烯在电极表面的导电能力先提高后降低。

关键词：碱土金属离子；石墨烯；电化学性能

Abstract

Graphene is a new type of two-dimensional carbon nano-materials. At present, graphene and graphene-related materials are being heavily researched and widely proposed for numerous applications. Among them, due to the excellent electrochemical performance, graphene materials have potential applications in the area of super capacitors, electrochemical sensors and cell electrodes.

This paper aims to study the effect of alkaline-earth metal ions on electrochemical properties of chemically reduced graphene. First of all, graphite oxide, which is shown good oxidation results characterized by XRD and FT-IR, was prepared by Hummers method from high purity synthetic graphite. Subsequently, graphene oxide solution was prepared after ultrasonic processing using ultrasonic cell crusher. It was demonstrated that single-layer graphene oxide sheet was exfoliated, which was characterized by UV-vis and AFM. Then, graphene with different adsorption capacity of alkaline earth metal ion was prepared by adsorption and reduced using hydrazine hydrate. Finally, glassy carbon electrode modified with prepared graphene was performed cyclic voltammetry tests and electrochemical impedance spectroscopy to explore its electrochemical properties. Research results show that, all these three alkaline earth metal ions (Mg² , Ca² and Ba² ) have an effect on the electrochemical properties of graphene, and showing a similar pattern. The conductive capability of graphene electrodes increased at first and then decreased while alkaline earth metal ions increasing.

Key Words：alkaline -earth metal ions; graphene; electrochemical performance

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 石墨烯研究进展 1

1.2.1 石墨烯的结构 1

1.2.2 石墨烯的性质与应用 2

1.2.3 石墨烯的制备 3

1.3 金属杂质离子对石墨烯电化学性质的影响 5

1.4 研究内容和技术路线 6

1.4.1 研究内容 6

1.4.2 技术路线 6

1.5 研究意义 8

第2章 实验准备、内容及方法 9

2.1 实验药品 9

2.2 实验仪器和设备 9

2.3 实验内容 10

2.3.1 氧化石墨的制备 11

2.3.2 氧化石墨烯的剥离 12

2.3.3 氧化石墨烯吸附及还原 12

2.3.3 石墨烯的电化学测试 13

2.4 表征方法 14

第3章 实验结果与分析 16

3.1 氧化石墨烯制备表征 16

3.1.1电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-OES） 16

3.1.2 X射线衍射分析（XRD） 16

3.1.3 傅里叶变换红外光谱分析（FT-IR） 17

3.1.4 紫外吸收光谱(UV-vis) 18

3.1.5 原子力显微镜（AFM） 18

3.2 氧化石墨烯吸附效果分析 19

3.3 电化学测试结果分析 21

3.3.1 Mg² 对石墨烯电化学性质的影响 22

3.3.2 Ca² 对石墨烯电化学性质的影响 25

3.3.3 Ba² 对石墨烯电化学性质的影响 28

3.3.4 Mg² 、Ca² 、Ba² 三种离子对石墨烯电化学性质影响的比较 30

第4章 结论与展望 32

4.1 主要结论 32

4.2 创新与不足 32

4.3 研究展望 33

参考文献 34

致 谢 37

第1章 绪论

1.1 引言

碳元素是自然界中最为神奇的元素，在自然界中广泛存在。在有机物世界中，碳元素作为“主心骨”为众多物质提供了无限的可能，尤其对于生命体来说，碳元素是构成生命的基本单位（氨基酸、核苷酸）的骨架。而在无机物世界中，碳单质的多种同素异形体，从石墨与金刚石，到富勒烯^[1]和碳纳米管^[2] 逐渐被人们认知，完美的结构和奇特的性质激起了学者们不断探索的兴趣。 2004年，一种之前被学术界认为在热力学规律下不可能存在的二维晶体—单层石墨烯被Geim A.K教授等成功制备出来，这又是一种碳的同素异形体^[3]，掀起科学界研究石墨烯的热潮。

1.2 石墨烯研究进展

1.2.1 石墨烯的结构

图1.1 (a)石墨烯 (b)其他碳纳米材料的结构示意图^[4]

石墨烯是由单层碳原子在二维平面内以六元角环的蜂窝状排列而成，可在二维平面内无限延伸。碳原子最外层有四个未成键的电子，石墨烯中每个碳原子中有三个外层电子与其他三个碳原子形成C−C共价键，由于C−C单键键能很强，赋予石墨烯很强的结构强度；而其余一个未成键电子在与二维平面垂直的方向形成π键，π电子在晶体中的移动几乎不受阻力，使得石墨烯具有优异的导电性。作为只有一个碳原子厚度的二维碳材料，石墨烯是其他碳材料的基本单元^[5]。如图1.1所示，二维石墨烯在空间的特定卷曲构成零维的富勒烯，将二维平面卷曲成管状则成为一维碳纳米管，沿平面垂直方向的层堆积构成层状的三维石墨。石墨烯巨大的表面积、单原子的超薄厚度、特殊的成键方式等独特的结构，决定其具有独特的物理化学性质。

1.2.2 石墨烯的性质与应用

1.2.2.1 石墨烯的性质

（1）力学性能。石墨烯特殊的成键方式，使其晶格结构十分稳定，是目前已知的硬度最高的材料，其硬度已经超越了金刚石，其拉伸模量和力学强度分别可达1000 GPa 和130 GPa^[6]，是目前已知最高的。石墨烯的力学性质意味着它可以承受巨大的作用力，其柔韧性也保证它在弯曲变形的同时结构不会破坏。这些优良的力学性质都说明石墨烯存在巨大的应用潜力。