在超臨界二氧化碳體系中石墨烯剝離技術的研究.pdf

1、1981年，研究納米結構的重要工具——掃描隧道顯微鏡被發(fā)明，標志著納米技術的時代來臨，而碳納米材料也從此開始步入歷史舞臺。1985年，C60被發(fā)現，1996年其發(fā)現者哈羅德·沃特爾·克羅托等人獲諾貝爾化學獎;1991年，碳納米管被發(fā)現，2002年其發(fā)現者飯島澄男(sumiolijima)獲富蘭克林獎章;2004年石墨烯被發(fā)現，2010年其發(fā)現者安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫獲諾貝爾物理學獎。作為碳材料領域中的三大主角，自其發(fā)現以來得

2、到了各個領域的關注，也掀起了一股碳研究熱潮。尤其是石墨烯材料的發(fā)現，更是將碳研究推向了另一個高潮。
　　石墨烯獨特的二維結構和優(yōu)異的晶體學質量，突出的電學、熱學和力學性能，引起了各界研究人員的關注，并迅速成為材料科學和凝聚態(tài)物理領域近年來的研究熱點之一，涵蓋了理論研究、材料制備、改良應用等各個方面。
　　本論文中，我們首先研究了在超臨界二氧化碳體系中剝離石墨烯材料;其次通過加入助插層劑來增強超臨界二氧化碳的插層剝離作用，從而

3、得到更高產率的石墨烯。通過AFM、SEM、TEM等分析手段對剝離的石墨烯材料進行表征，從而得到最優(yōu)化的剝離條件。
　　本論文的主要研究工作及結果如下:
　　(1)石墨原料對石墨烯尺寸的影響
　　我們選用了兩種石墨原料作為反應前驅物，并研究了其對樣品性質方面的影響。前驅物的尺寸的差異在產物石墨烯的尺寸上得到了體現。以數百微米大小的EG為前驅物所剝離的石墨烯尺寸約為幾個微米，而以幾個微米大小的鱗片石墨為前驅物剝離的石墨烯尺

4、寸為數百納米，尺寸相差一個數量級。除此之外，EG的剝離效率也很低，這也和尺寸有關，因為EG的尺寸過大，而溶劑分子到達石墨層的內部，所以導致剝離效率的降低。由此可說明石墨原料的選擇對石墨烯的影響很大。
　　(2)對比研究了輔助插層劑對石墨烯產率的影響
　　在單純超臨界二氧化碳體系中，石墨烯的剝離效率較低，而有機溶劑二甲基甲酰胺(DMF)和甲基吡咯烷酮(NMP)作為石墨烯分散的常用溶劑，在超臨界二氧化碳中具有一定的溶解度，因而我

5、們將其引入超臨界二氧化碳體系中作為輔助插層劑促進石墨烯的剝離。除此之外還加入了十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)作為對比，研究其作用。石墨烯溶液的沉降實驗表明，三種溶劑對實驗結果的影響的大小為:NMP＞DMF＞SDBS。在最優(yōu)條件下，由NMP剝離得到的石墨烯溶液濃度可達0.13mg/ml，由DMF剝離得到的石墨烯溶液濃度可達0.12mg/ml。
　　(3)研究了溫度、壓強、時間以及攪拌對產率的影響
　　通過控制變量法，研究了在10

6、-25MPa，40-120℃度范圍內超臨界二氧化碳體系中石墨烯的剝離效果。結果發(fā)現，在溫度為40℃和80℃度時，剝離效果較好。在溫度保持為80℃時，壓強為15MPa和20MPa的條件下剝離效果較好。同時我們還研究了時間對結果的影響，時間越長實驗結果越好，實驗最長時間為24h。除此之外，磁力攪拌對剝離也有很大的促進作用。因此，我們得到了最佳的剝離條件為:在溫度為40℃，壓強為20MPa，時間為24h并伴有磁力攪拌的情況下。
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7、)對制備的石墨烯進行了表征
　　對剝離得到的石墨烯樣品進行了形貌結構與濃度的表征。AFM數據顯示石墨烯的厚度約為1.5-3個nm，表明得到了多層石墨烯;XRD數據顯示石墨烯的特征峰(002)明顯減弱，表明石墨的長程有序性被破壞，石墨得到剝離;TEM數據顯示了多層透明結構，電子衍射圖則顯示了所剝離的石墨烯具有良好的結晶性，并證明得到了單層或多層的石墨烯片層;UV-Vis分析得到了石墨烯的濃度，最高濃度可達0.13mg/ml;粒度分析