【導(dǎo)讀】學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)特性。自從2021年發(fā)現(xiàn)以來，研究者對這種材料在未來技術(shù)革命方面。提出了大量的應(yīng)用，石墨烯被認(rèn)為是未來能夠取代硅的一種新型電子材料。研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。實驗中采用氧化還原的方法對天然鱗片石墨進(jìn)行插層氧化，超聲分。散后獲得氧化石墨烯"在堿性環(huán)境下用聯(lián)氨還原，得到石墨烯懸浮液。外在氧化過程中要保證沒有水的參與。高錳酸鉀用量增加既提高了插層效果，易形成完。全插層的氧化石墨，又對氧化石墨結(jié)構(gòu)層破壞影響較大。通過增加體系中溫階段反應(yīng)溫。超聲會對氧化石墨烯的層片造成很大的破壞，是氧化石墨烯的層片減小，缺陷。增多，同時會改變片層大小的分布。因此，可以通過改變超聲時間與功率來調(diào)節(jié)石墨烯。用肼或水合肼作為還原劑，可以在很大程度上除去石墨烯氧化物中。的樣官能團(tuán)，恢復(fù)其是膜結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性。

　　

【正文】 深入探討，使我國在該領(lǐng)域向更高的學(xué)術(shù)和研究水平更邁進(jìn)了一步。 2021 年 8 月 1 日，中科院物理研究所王恩哥等采用剝離 再嵌入 擴(kuò)漲的方法成功地制備了高質(zhì)量石墨烯。利用透射電子顯微術(shù)對石墨烯進(jìn)行表征并進(jìn)行了深入的晶體結(jié)構(gòu)分析。中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院明平兵研究員及合作者劉芳、李巨的計算結(jié)果表明，預(yù)測石墨烯的理想強度為 110～ 121GPa，這意味著石墨烯是目前人類已知的最為牢固的材料。中國科學(xué)院化學(xué)所的研究人員探索 了一種制備圖案化石墨烯的方法，以圖案化的金屬層作為催化劑制備了圖案化的石墨烯，并成功地將其應(yīng)用于有機(jī)場效應(yīng)晶體管電極。研究結(jié)果表明，石墨烯是一種性能優(yōu)異的有機(jī)場效應(yīng)晶體管電極材料。低的載流子注入勢壘和良好的電極半導(dǎo)體接觸是器件具有高性能的主要原因。這一研究進(jìn)展為有機(jī)場效應(yīng)晶體管和石墨烯的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。中科院蘭州化學(xué)物理研究所的科研人員最近在石墨烯一非晶碳復(fù)合薄膜的制備研究方面取得新進(jìn)展。有關(guān)研究成果發(fā)表在近期 Carbon 刊物上。初步研究結(jié)果表明，非晶碳納米顆粒的介入在不犧牲石墨烯薄膜高導(dǎo)電性的前提 下極大地改善了膜基結(jié)合強度。該薄膜有望作為一種新型的電極材料，應(yīng)用于高效高壽命電池、電容器和平板顯示器等領(lǐng)域。大連化物所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室納米和界面催化研究組，在多年碳材料研究的基礎(chǔ)上發(fā)展了一條以商品化碳化硅顆粒為原料，通過高溫裂解規(guī)模制備高品質(zhì)石墨烯材料的新途徑，對實現(xiàn)石墨烯的實際應(yīng)用具有重要意義。他們通過對原料碳化硅粒子、裂解溫度、速率以及氣氛的控制，可以實現(xiàn)對石墨烯結(jié)構(gòu)和尺寸的調(diào)控，為石墨烯作為新型電極材料以及催化材料的研究及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。值得一提的是，我國科學(xué)家率先實現(xiàn)基于石墨烯的各向異性刻蝕 技術(shù)，這是我國科學(xué)家在該研究領(lǐng)域中獨具特色的工作，相關(guān)結(jié)果已發(fā)表在國際知名雜AdvancedMaterials 上 [34]。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)論文 17 國外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀 單層石墨烯的成功制備，引發(fā)了新的碳質(zhì)材料的研究熱潮。石墨烯納米晶體管的成功制備預(yù)示了石墨烯是未來納米電子器件極有前景的材料。與此同時，對石墨烯的力學(xué)性能等基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，也是前沿科學(xué)家的研究熱點之一。隨著碳材料性能的不斷改進(jìn)，使得其逐漸成為能源領(lǐng)域的主導(dǎo)。 石墨烯制備方法現(xiàn)狀，據(jù)《紐約時報》報道，韓國科學(xué)家在制備大尺寸、高質(zhì)量的石墨烯薄膜方面取得重大突破， 發(fā)現(xiàn)了一種制備大尺寸石墨烯薄膜的方法。韓國成均館大學(xué)洪秉熙領(lǐng)導(dǎo)的一個研究組生產(chǎn)出了高純度石墨烯薄膜，還把它們貼在透明可彎曲的聚合物上，制成了一個透明電極 —— 這算得上是化學(xué)氣相沉積法制造石墨烯迄今取得的最大成就之一。經(jīng)過改進(jìn)之后，這種電極可以取代顯示器上現(xiàn)在所使用的透明電極，價格卻比現(xiàn)在通常用氧化銦制成的電極便宜得多。美國加州大學(xué)洛杉磯分校研究人員開發(fā)了制造石墨烯和碳納米管混合材料的新方法，該混合材料有望作為太陽能薄膜電池和家用電器設(shè)備的透明導(dǎo)體，比現(xiàn)在使用的具有相同功能的其他材料更具柔軟性且價格更低。加州大 學(xué)洛杉磯分校研究團(tuán)隊通過實驗制做出一種新型的石墨烯納米結(jié)構(gòu) —— 介孔石墨烯?？组g石墨烯的寬度最小可以達(dá)到 5nm。介孔石墨烯可以用于大規(guī)模生產(chǎn)以介孔石墨烯為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體集成電路 [35]。 美國科學(xué)家使用普通的蔗糖制造出了純凈的石墨烯，用這種石墨烯可以研制出更輕、更快、更廉價、更緊實柔韌的計算機(jī)電子設(shè)備，可廣泛運用于軍用飛機(jī)和醫(yī)療領(lǐng)域。 2021 年 11 月日本東北大學(xué)與會津大學(xué)通過合作研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯可產(chǎn)生太赫茲光的電磁波。研究人員在硅襯底上制作了石墨烯薄膜，將紅外線照射到石墨烯薄膜上，只需很短時間就能放射出太 赫茲光。如果今后能夠繼續(xù)改進(jìn)技術(shù)，使光源強度進(jìn)一步增大，開發(fā)出高性能的激光器。 2021 年 12 月 1 日在美國召開的材料科學(xué)國際會議上，日本富士通研究所宣布，他們用石墨烯制作出了幾千個晶體管。富士通研究所的研究人員將原料氣體吹向事先涂有用做催化劑的鐵的襯底，在這種襯底上制成大面積石墨烯薄膜。 目前，石墨烯的研究開始轉(zhuǎn)入如何降低成本并大規(guī)模制備方面，石墨烯的具體應(yīng)用方面的研究同時也在廣泛展開，對于石墨烯作為電極材料，在電化學(xué)電容器 EC 中的應(yīng)用，已經(jīng)顯示出了良好的前景 [36]。 主要研究內(nèi)容 石墨烯作為 一種新型材料的碳納米材料，具有諸多優(yōu)良的物理化學(xué)特性，一經(jīng)問世內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)論文 18 便引發(fā)了包括環(huán)境污染控制在內(nèi)的各個領(lǐng)域的研究熱潮。尤其是隨著近年來石墨烯制備技術(shù)的不斷發(fā)展，大大降低了石墨烯的應(yīng)用成本，為石墨烯的環(huán)境應(yīng)用提供了無限可能。石墨烯是一種性能優(yōu)良的吸附劑，對重金屬，燃料等有較強的吸附能力。為了更加深入的研究石墨烯的環(huán)境應(yīng)用能力特別是吸附特性，本研究采用氧化還原法制備石墨烯，并用真空干燥的方式獲得比表面積較高的石墨烯，以此樣品作為吸附劑在不同條件下研究了其對水中亞甲基藍(lán)燃料與四環(huán)素的吸附性能，并對其實驗結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì) 分析。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)論文 19 第二章 氧化石墨的制備與表征 目前，氧化 — 還原法以低廉的成本和易實現(xiàn)規(guī)?；膬?yōu)勢成為制備石墨烯的最佳方法，氧化 — 還原法是將天然石墨與強酸和強氧化性物質(zhì)反應(yīng)生成氧化石墨，經(jīng)過超聲分散制備成氧化石墨烯，加入還原劑去除氧化石墨烯表面的含氧集團(tuán)得到石墨烯。人們需要大量的石墨化程度高、結(jié)構(gòu)完整的石墨烯作為催化劑負(fù)載材料。機(jī)械剝離法能制備高質(zhì)量的石墨烯，但產(chǎn)率低、耗時長，顯然不能滿足未來工業(yè)化的要求。氧化 — 還原法的缺點是所使用的強酸和強氧化劑能夠破壞其完整的結(jié)構(gòu) ，一定程度上限制了其在某些領(lǐng)域中的應(yīng)用。 氧化石墨烯的制備 主要試劑 表 制備石墨烯的主要試劑 原料名稱 化學(xué)式 原料純度 生產(chǎn)地 天然石墨粉 C 化學(xué)純 北京化工廠 濃硫酸 42SOH 分析純 北京化工廠 過硫酸鉀 822 OSK 分析純 北京化工廠 五氧化二磷 52OP 分析純 天津市華東試劑廠 高錳酸鉀 4KMnO 分析純 天津市華東試劑廠 雙氧水 22OH 分析純 天津市華東試劑廠 鹽酸 HCl 分析純 北京化工廠 水合肼 OHNH23? 分析純 天津市創(chuàng)?；? 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)論文 20 實驗設(shè)備 表 制備石墨烯的主要設(shè)備 氧化石墨的制備流程圖 鱗片石墨 +濃硫酸 低溫攪拌 加入 4KMnO 中溫 攪拌 加入 22OH 高溫反應(yīng) 注入 OH2 中和 反應(yīng) 過濾或離心 稀 HCl 洗滌至無 4BaSO 產(chǎn)生 加堿中和 MH500 電子調(diào)溫電熱套 天津市泰斯特儀器公司 SHBШ 循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長城科技工貿(mào)有限公司 SQP 電子天平 賽多利斯科科學(xué)儀器（北京）有限公司 WHL30B 電熱恒溫干燥箱 天津市泰斯特儀器公司 DK98пA 電熱恒溫水浴鍋 天津市泰斯特儀器公司 KQ3200B 超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司 800 離心 機(jī) 江蘇省金市榮華儀器制造有限公司 DF101SJ 集熱式恒溫?zé)岽帕嚢杵? 河南愛博特科技發(fā)展有限公司 WGL230 電熱鼓風(fēng)干燥箱 天津市泰斯特儀器公司 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)論文 21 水洗 至無 AgCl 產(chǎn)生 石墨烯 還原 爆炸膨脹 低溫干燥 過濾或離心 表征 剝離 圖 石墨烯制備流程圖 圖 氧化石墨的制 備裝置圖 鱗片狀石墨在強氧化劑 4KMnO 的作用下，與濃 42SOH 成層間化合物，而后層間化合物有發(fā)生了氧化水解形成了氧化石墨。在此過程中， 22OH 用來還原殘留的 4KMnO 和2MnO 使之形成無色的 4MnSO 。 氧化過程反應(yīng)式為： OHnH SOCSOnHOnCx nnnx 2442 2)(2 ???? ?? 氧化過程可分為以下三個步驟： 1 石墨層間化合物的形成； 2 石墨層間化合物的氧化； 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)論文 22 3 氧化物的水解。 氧化石墨的制備步驟 將 天然石墨加到 6mL 80℃的濃硫酸 42SOH 、 8224) OSNH（ 和 52OP 組成的混合溶液中，在該條件下保持 ，將混合物冷卻至室溫，并加入 稀釋放置過夜?；旌衔锍恋碛萌ルx子水洗滌、過濾除去殘余的算后在室溫條件下干燥，得到預(yù)氧化天然石墨粉。將預(yù)氧化的天然石墨粉加到 60mL 0℃的濃硫酸中，再將 4KMnO 便攪拌邊緩慢加入，并繼續(xù)在 35℃以下攪拌 2h 得混合液。加入 125mL去離子稀釋混合液，由于大量水的加入會釋放出大量熱量，因此該操作要在冰水浴中進(jìn)行，以保證溫度低于 50℃。全部加完去離子水后，繼續(xù)攪拌混合物 2h，再加入 700mL 去離子水和 10mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 30%的 22OH ，此時可以看到在冒出大量氣泡的同時溶液顏色由黑色變?yōu)榱咙S色。將得到的亮黃色溶液用 10:1)(:)( ?去離子水VHC lV 的鹽酸和去離子水洗滌并抽濾至干，得到的固體放置在 40℃真空烘箱中干燥 7d，即得到氧化石墨（ GO）。 氧化石墨烯的制備工藝分析 石墨烯氧化物是通過氧化石墨得到的層狀材料。體相石墨經(jīng)過發(fā)煙濃硫酸溶液處理后，石墨烯層被氧化成親水的石墨烯氧化物，石墨層間距由氧化前的 增加到7~10A， 經(jīng)加熱活在水中超聲剝離過程很容易形成分離的石墨烯氧化物片層結(jié)構(gòu)， XPS、紅外光譜 、 固體核磁共振等表征結(jié)果顯示石墨烯氧化物含有大量的含氧官能團(tuán)。包括羧基 、 環(huán) 氧官能團(tuán) 、 羰基 、 羥基等。羥基和環(huán)氧官能團(tuán)主要位于石墨的基面上，而羰基和羧基則處在石墨烯的邊緣上。 氧化石墨同樣是一層狀共價化合物，層間距離依制備方法而異。一般認(rèn)為，氧化石墨中含有 COH、 COC， 甚至 COOH 等基團(tuán)，從而表現(xiàn)出較強的極性。干燥的氧化石墨在空氣中的穩(wěn)定性較差，很容易吸潮而形成水化氧化石墨 ( IC = ～ ) ，但當(dāng)氧化石墨在 50～ 200℃下與 F2 反應(yīng)生成氟化氧化石墨后，穩(wěn)定性明顯增強。 由于極性基團(tuán)的存在，氧化石墨很容易吸收極性小分子而形成氧化石墨嵌入化合物，其 IC 值隨極性分子尺寸的增大而增大，但類嵌入化合物的穩(wěn)定性較差，在空氣中很易脫 (deintercalate) 而轉(zhuǎn)化為水化氧化石墨。極性高聚物盡管對氧化石墨層間的擴(kuò)散很慢，但得到的嵌入化合物卻很穩(wěn)定。與石墨不同，氧化石墨在外力，如超聲波的作用下在水中或堿水中可形成穩(wěn)定性較好的氧化石墨膠體或懸浮液，同時受層間電荷的靜電排內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)論文 23 斥作用，氧化石墨的片層發(fā)生層 層剝離 [3740]。 氧化石墨烯主要含有的功能團(tuán)有羥基 、 羧基和環(huán)氧基，這些不同的氧基功能團(tuán)所具有的化學(xué)活性也不盡相同，因而被還原的先后順序也有所差異，比如最難 還原的羧基。考慮多的氧化石墨烯中各氧基功能團(tuán)不同的反應(yīng)活性，因而從理論上講，我們完全可以通過選擇不同還原能力的化學(xué)試劑將這些功能團(tuán)按照活性的高低一步一步的還原掉 。 氧化石墨的表征 本實驗采用傅里葉變換紅外光譜儀對樣品材料進(jìn)行表征分析，定性和半定量分析了氧化石墨材料表面所含官能團(tuán)情況。測試條件：樣品掃描范圍 4000400 1?cm 。樣品制備方法：采用溴化鉀壓片法。將 12mg 樣品與 100200mg 溴化鉀混合，在紅外燈下于瑪瑙研 缽中研磨。然后過 100 目篩，取篩下樣品細(xì)粉末在油壓機(jī)上壓成片，用于測試 [41]。 石墨烯 1D a t e : 201 4 5 124 0 0 0 . 0 3000 2021 1500 1000 4 0 0 . 05 7 . 4 25 8 . 0