【正文】 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 . 05 8。將 12mg 樣品與 100200mg 溴化鉀混合，在紅外燈下于瑪瑙研 缽中研磨。測試條件：樣品掃描范圍 4000400 1?cm ?？紤]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 。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(shí)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]。 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。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(qiáng)的極性。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。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)。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）。加入 125mL去離子稀釋混合液，由于大量水的加入會(huì)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℃。混合物沉淀用去離子水洗滌、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。 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(gè)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(shí)驗(yàn)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?cái)嚢? 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(qiáng)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。機(jī)械剝離法能制備高質(zhì)量的石墨烯，但產(chǎn)率低、耗時(shí)長，顯然不能滿足未來工業(yè)化的要求。 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(shí)現(xiàn)規(guī)模化的優(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(qiáng)酸和強(qiáng)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。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(qiáng)的吸附能力。 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(gè)領(lǐng)域的研究熱潮。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。如果今后能夠繼續(xù)改進(jìn)技術(shù)，使光源強(qiáng)度進(jìn)一步增大，開發(fā)出高性能的激光器。 2021 年 11 月日本東北大學(xué)與會(huì)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。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]。加州大 學(xué)洛杉磯分校研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)制做出一種新型的石墨烯納米結(jié)構(gòu) —— 介孔石墨烯。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(jià)格卻比現(xiàn)在通常用氧化銦制成的電極便宜得多。 石墨烯制備方法現(xiàn)狀，據(jù)《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)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。與此同時(shí)，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(diǎn)之一。 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。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(shí)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)。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。有關(guān)研究成果發(fā)表在近期 Carbon 刊物上。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)。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。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(jì)算結(jié)果表明，預(yù)測石墨烯的理想強(qiáng)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。 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。此外，長春應(yīng)化所還在石墨烯透明電極、生物傳感等方面進(jìn)行了初步探索，獲得一系列相關(guān)研究結(jié)果，引起國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。 國內(nèi)外研究情況 國內(nèi)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀 國際上石墨烯研究人員的數(shù)量迅速增加，世界各國政府和各大公司也都高度重視并投入人力、物力搶占這一戰(zhàn)略高地，我國科學(xué)家在該領(lǐng)域起步較快，已經(jīng) 形成一定國際內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)論文 16 影響。場效應(yīng)晶體管靠電 場效應(yīng)運(yùn)作，這種電場效應(yīng)是一種類型的電荷載流子（電子或空穴）通過單一類型的半導(dǎo)體金屬（例，一個(gè)“導(dǎo)電通道”）從源頭到通道的流動(dòng)產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯太陽能電池的安（電流 電壓）特性表現(xiàn)出總功率轉(zhuǎn)化效率為 %，比在相同程序下制備的 FTO 電池的總功率轉(zhuǎn)化效率要相對低 [33]。石墨烯也已經(jīng)作為一 種誘人的電極材料應(yīng)用在太陽能電池方面，盡管由于石墨烯薄膜相對高的電阻使得電容器的功率轉(zhuǎn)換效率相對較低。具有柔韌結(jié)構(gòu)的 SnO2/石墨烯納米孔電極材料由石墨烯納米片和 SnO2 納米顆粒組裝而成。當(dāng)前，石墨烯基材料，包括石墨烯納米片，石墨烯薄膜和納米石墨烯雜化物，已作為 LIBs 大量電極材料引起而別關(guān)注，這歸因于它們優(yōu)秀的鋰儲(chǔ)能性質(zhì)。 LIBs 的能量密度和性能在很大程度上與陽極材料的物理和化學(xué)性能有關(guān)。石墨烯基材料電極的優(yōu)點(diǎn)已在與能量相關(guān)的電化學(xué)裝置的應(yīng)用中得到證明，如鋰電池（ LIBs）、太陽能電池、超級電容器等。測試結(jié)果表明，量子點(diǎn) 石墨烯納米復(fù)合物的電致化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度伴隨氧化石墨烯的電化學(xué)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)論文 15 還原而逐漸增強(qiáng)。而且，石墨烯的引入可以提高平臺(tái)的表面積和孔隙率，這可以使共反應(yīng)物擴(kuò)散得更快。電化學(xué)發(fā)光傳感器中石墨烯的超高導(dǎo)電性質(zhì)能有效地促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移。 Li 等通過還原氧化石墨和 H2PtCl6 制備 Pt/石墨烯納米復(fù)合材料， Pt/石墨烯納米復(fù)合材料對甲醇氧化有極好的催化性能。石墨烯顯著的快速電子傳遞功能和活潑的電催化作用主要是由于出現(xiàn)在垂直石墨烯納米片最后的類似于熱解石墨邊緣平面的邊緣面 /缺陷。一方面，石墨 烯或其衍生物自身有極好的催化性質(zhì)。血紅蛋白固定于離子液體 /聚二烯丙基二甲基氯化銨 石墨烯復(fù)合材料表面，用于檢測硝酸鹽的生物傳感器也有報(bào)道 [31]。 Li 等將辣根過氧化物酶固定在全氟磺酸 石墨烯表面，作為 H2O2 傳感器的電極材料，其對 H2O2 的線性響應(yīng)范圍為 M? ，檢出限為 M? ，而且電極的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性良好。 （ 2）生物傳感 器 由于石墨烯具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和奇異的電子性質(zhì)，石墨烯基材料為生物分子固定化保持生物活性提供了一個(gè)微環(huán)境，促進(jìn)了固定化生物分子和電極基質(zhì)之間的電子轉(zhuǎn)移。 Parvin 用石墨烯碳糊電極（ GPE）檢測了藥物中氯丙嗪（ CPZ）含量，檢測限和定量極限分別為 和 ，檢測結(jié)果與標(biāo)簽值一致。 Fowler 等報(bào)道了可檢測 NO NH 2， 4二硝基 苯的化學(xué)改性石墨烯傳感器的發(fā)展。通過監(jiān)測電阻的變化，可以很好地檢測到環(huán)境中特定氣體的微小濃度。目前，已有大量文獻(xiàn)報(bào)道了石墨烯及石墨烯基 材料在傳感方面的應(yīng)用。超高比表面與奇異電子性質(zhì)的結(jié)合意味著石墨烯上任何分子的破壞都容易檢測到，石墨烯導(dǎo)向的傳感器檢測表面上下的單個(gè)分子很敏感。雖然石墨烯的應(yīng)用和研究還面臨種種困難，但對石墨烯的研究有著令人神 往的前景，已成為新型材料應(yīng)用的熱點(diǎn)，在不久的將來，我們的生活會(huì)因石墨烯而改變。該實(shí)驗(yàn)證明了可以通過化學(xué)方法改變石墨烯的性能，這為制備其他基于石墨烯的化學(xué)衍生物鋪平了道路。英國科學(xué) 家在石墨烯基礎(chǔ)上開發(fā)出一種具有突破性的新材料，用純凈的石墨烯和氫制備出具有絕緣性能的二維晶體石墨烯衍生物―石墨烷，在不破壞石墨烯獨(dú)特的六角形晶格結(jié)構(gòu)和單原子厚度的情況下，在每個(gè)碳原子上都增加了一個(gè)氫原子，從而制備出了具有新特性的新材料。諾維塞洛維說：“石墨烯是一種極佳的導(dǎo)體，可被廣泛的應(yīng)用于諸多電子設(shè)備當(dāng)中，如果可以通過化學(xué)方法按人們的需要控制其電子性能，那將具有更為誘人的應(yīng)用前景。隨著石墨烯的各種特性被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，相信很快就可以投入大批量低成本的工業(yè)化生產(chǎn)。從現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展的趨勢看，未來的晶體 管將會(huì)由純凈的、具有高導(dǎo)電性的石墨烯晶體和經(jīng)過化學(xué)改進(jìn)的具有半導(dǎo)體性能的石墨烯衍生物一起組成。 石墨烯的研究剛剛起步，面臨著種種困難。對于超級電容器，適合電荷聚集的有效“表面積”越大，其儲(chǔ)電容量越大。石墨烯良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱特性和超常的比表面積，使其成為儲(chǔ)能體系的理想候選材料 。石墨烯的光透明度極高，吸收率僅為 2%左右，遠(yuǎn)低于氧化銦錫的15%~18%。石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性能和超高的透光性使其可作為透明電極、太陽能電池電極、液晶顯示等。石墨烯制備的電子