氧化石墨烯及还原氧化石墨烯的制备与功能化

摘要

石墨烯作为由碳原子以单层原子组成的二维蜂窝状结构的碳材料，其发现丰富了碳材料世界，激发了科学界的研究热情，使多个领域看到了性能突破的希望。由于在电学、光学、力学、热学等方面呈现出了其它材料无法比拟的突出性能，石墨烯因此在光电器件、医学、生物、催化等方面得到了极大的发展。目前，生产石墨烯的方法主要包括机械剥离法、外延生长法、气相沉积法、化学合成法、化学剥离法。其中，化学剥离法由于操作简单、成本低、产量大的特点被公认为最具有工业化生产潜力的方法之一。但其制备的石墨烯尺寸不均匀、还原难的缺点而往往限制了其更好的应用。而石墨烯及其派生物获得更大应用和发展的基础是功能化，这样才能更好地发挥其强大的性能优势。因此，本文采用经典的化学剥离法——Hummers法生产石墨烯及其衍生物，开发了一种全新的分离不同尺寸大小氧化石墨烯片层的方法，发展了一种快速易操作的方法生产还原石墨烯，通过非共价键修饰氧化石墨烯、还原石墨烯获得功能型复合材料，研究了复合材料在吸附转移、光催化、电学性质、发光特性等性能的表现。主要研究内容如下：
　　1.基于改进的Hummers法，合成了氧化石墨烯。通过不同尺寸的氧化石墨烯片层在有机极性溶剂中的分散性和稳定性的不同实现了对它们的分离，研究了它们的尺寸、形貌、氧化度，说明了方法的分离机理。同时，通过荧光光谱法初步研究了分离得到的氧化石墨烯片层对罗丹明-B的荧光猝灭作用。结果表明，利用此方法成功分离得到了横向尺寸（d）较为均匀的氧化石墨烯，各部分尺寸范围分别为：d<5μm，5μm25μm。且尺寸更小的氧化石墨烯片层猝灭罗丹明-B的荧光的能力更强。
　　2.基于改进的Hummers法，干燥得到了氧化石墨纸。通过使氧化石墨纸快速地通过燃着的酒精灯，氧化石墨被迅速剥离成了还原的氧化石墨烯。研究了产物的氧化度、形貌、结构，发现其具有高的还原度（C/O原子比到达12）。同时，为了快速大量获得透明的氧化石墨烯薄膜，开发了旋蒸自组装成膜法。研究发现，氧化石墨烯薄膜经过燃烧处理后，变成了三维多孔网状结构的还原氧化石墨烯薄膜。这种薄膜表现出了极好的电导能力（阻抗由24MΩ降低到了4.7KΩ)）和吸附能力。
　　3.以氯化铁、三氧化二铁（α-Fe2O3）为金属源，分别与氧化石墨水溶胶作用，利用超声和火焰制备得到了三种不同的Fe2O3复合材料。利用这些复合材料对亚甲基蓝和罗丹明-B进行光降解后，发现它们拥有超好的光解去污功能。同时发现，分散性、电子空穴对复合率、晶型结构以及导电性对Fe2O3复合材料的光降解能力有较大的影响。
　　4.以氯化铕、氧化石墨烯为前躯体，经过常温搅拌获得了铕修饰的还原氧化石墨烯复合材料。研究了材料的结构、形貌、组成成分，发现铕以铕离子和氢氧化铕两种形式通过含氧基团与还原氧化石墨烯进行作用。研究表明，其不但拥有极好的荧光猝灭作用，而且能够缓慢改性罗丹明-B，使红色的荧光逐步变成橙色、黄色和绿色。
　　5.利用π-π堆积和氢键作用，选择具有π共轭结构的均苯四甲酸（PMA）和邻菲罗琳（phen）为有机配体，以三价稀土铕离子为金属离子，氧化石墨烯为无机基质制备得到了一种氧化石墨烯修饰的稀土荧光杂化材料（Eu(Ш)-PMA-phen/GO）。此材料表现出了高的发光强度、长的荧光寿命（1.82 ms）、好的光热稳定性。同时发现氧化石墨烯可以有效地调节稀土配合物的能带结构。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1引言

1.2 石墨烯的结构

1.3 石墨烯的性质

1.4 石墨烯的制备

1.5 石墨烯的功能化及其应用

1.6 本课题的选题背景及内容

第二章 不同尺寸大小氧化石墨烯的分离及性能研究

2.1 引言

2.2 实验药品和仪器

2.3 实验步骤

2.4 结果与讨论

2.5 本章小结

第三章 燃烧法制备还原氧化石墨烯

3.1 引言

3.2 实验药品和仪器

3.3 实验步骤

3.4 结果与讨论

3.5 本章小结

第四章 Fe2O3修饰氧化石墨烯/还原氧化石墨烯复合材料的制备及性能研究

4.1 引言

4.2 实验药品和仪器

4.3 实验步骤

4.4 结果与讨论

4.5 本章小结

第五章 Eu修饰还原氧化石墨烯复合材料的制备与性能研究

5.1 引言

5.2 实验药品和仪器

5.3 实验步骤

5.4 结果与讨论

5.5 本章小结

第六章 氧化石墨烯修饰稀土荧光材料的制备与性能研究

6.1 引言

6.2 实验药品和仪器

6.3 实验步骤

6.4 结果与讨论

6.5 本章小结

第七章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间所取得的相关科研成果

致谢