NMMO溶剂液相剥离制备石墨烯纳米材料的研究

摘要

石墨烯材料具有独特的sp2杂化片层结构，有优异的电子特性，量子效应以及出色的热和机械性能，在电学，热学，机械和化学领域有广泛的应用。因此，开发一种高效的制备方法对于提高石墨烯的性能是非常重要的。与传统氧化-还原法制备石墨烯相比，液相剥离法由于能较好的保存石墨烯的原始结构、工艺简单、成本低而成为当前制备石墨烯领域的研究热点。另一方面，传统用于剥离石墨的有机溶剂对空气和湿度敏感，后续难分离且对环境造成污染。因此，选用一种稳定的绿色环保有机溶剂对氧化石墨/氧化石墨烯原料进行剥离已经成为我们的目标。NMMO结构稳定、绿色环保、可重复利用，而且对氧化石墨及氧化石墨烯具有较好的还原效果，规模化生产也不会对环境造成污染，因此被选作理想的剥离溶剂。本文主要对利用以N-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）为溶剂液相剥离法制备石墨烯的新技术进行了探索研究。利用超声辅助技术制得氧化石墨分散液，并将其分散至一水NMMO中，制得石墨烯纳米材料。具体研究内容如下： （1）氧化石墨采用改进的Hummers法制备，真空机械搅拌条件下与一水NMMO溶剂反应，分别水洗，真空干燥制得石墨烯纳米材料。石墨氧化过程中由于含氧官能团的引入，扩大了片层间距，促进了后续剥离。经过NMMO剥离之后，得到的石墨片层折叠区域厚度为13.3nm，呈现随机聚集，薄而褶皱的结构。实验中，发现NMMO与氧化石墨混合物经多个溶解，固化循环过程后，所得到的样品形貌结构最好，石墨烯还原程度增加。 （2）采用超声辅助分散氧化石墨在NMMO/水体系，以上述（1）过程中制备的未完全氧化的氧化石墨为原料，分别在NMMO和水体系下进行液相剥离实验，整个反应过程在95℃下持续6h，探究NMMO分子对氧化石墨的剥离还原效果。所制备的石墨烯样品呈现出非常薄的片层结构，片层厚度由143nm变为77nm，证明超声辅助促进了氧化石墨的剥离效果；经NMMO作用下的样品还原度好，但稍弱于多次溶解，固化循环过程后的石墨烯样品。 （3）用韩国购入的氧化石墨烯（GO）作为原料，采用超声辅助分散的方法，在NMMO/水体系下液相剥离氧化石墨烯，探究NMMO分子对氧化石墨烯的作用，发现具有良好的剥离效果和还原效果。从韩国购入的氧化石墨烯原料热稳定性测试表明：150℃–300℃范围内质量损失较大，但经NMMO剥离还原之后，所得到的样品质量损失比仅为11%。同时，氧化石墨烯的含氧官能团越多，NMMO的对氧化石墨烯的还原效果越好，说明NMMO能有效的进一步插入氧化石墨烯的层间，从而实现良好的剥离效果。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 石墨烯的性质、制备及应用研究

1.2.1 石墨烯的结构性质

1.2.2 石墨烯的制备方法

1.2.3 石墨烯的相关应用

1.3 氧化石墨-NMMO体系下纳米材料的制备研究

1.3.1 氧化石墨原料和NMMO溶剂的概述

1.3.2 氧化石墨-NMMO体系下纳米材料的制备

1.4 课题的立题依据和主要研究内容

1.4.1 课题的立题依据

1.4.2 课题的主要研究内容与创新点

第二章 氧化石墨-NMMO/水体系下石墨烯的制备研究

2.1 引言

2.2 实验试剂与实验仪器

2.2.1 实验试剂

2.2.2 实验仪器

2.3 氧化石墨的制备及表征

2.3.1 氧化石墨的制备

2.3.2 氧化石墨的表征分析方法

2.4 实验结果与讨论

2.4.1 氧化石墨的SEM分析

2.4.2 氧化石墨的XRD分析

2.4.3 氧化石墨的FT-IR分析

2.4.4 氧化石墨的拉曼分析

2.5 NMMO/石墨烯复合纳米材料的制备及表征

2.5.1 NMMO/石墨烯复合纳米材料的制备

2.5.2 NMMO/石墨烯复合纳米材料的表征分析方法

2.6 实验结果与讨论

2.6.1 氧化石墨-NMMO样品的SEM分析

2.6.2 氧化石墨-NMMO样品的XRD分析

2.6.3 氧化石墨-NMMO样品的FT-IR分析

2.6.4 氧化石墨-NMMO样品的拉曼分析

2.6.5 氧化石墨-NMMO样品的XPS分析

2.7 本章小结

第三章 超声辅助氧化石墨-NMMO/水体系下石墨烯的制备研究

3.1 引言

3.2 实验试剂与仪器

3.2.1 实验试剂

3.2.2 实验仪器

3.3 NMMO/石墨烯复合纳米材料的制备及表征

3.3.1 NMMO/石墨烯复合纳米材料的制备

3.3.2 NMMO/石墨烯复合纳米材料的表征分析方法

3.4 实验结果与讨论

3.4.1 氧化石墨-NMMO样品的SEM分析

3.4.2 氧化石墨-NMMO样品的XRD分析

3.4.3 氧化石墨-NMMO样品的FT-IR分析

3.4.4 氧化石墨-NMMO样品的拉曼分析

3.4.5 氧化石墨-NMMO样品的XPS分析

3.5 本章小结

第四章 超声辅助氧化石墨烯-NMMO/水体系下石墨烯的制备研究

4.1 引言

4.2 实验试剂与实验仪器

4.2.1 实验试剂

4.2.2 实验仪器

4.3 NMMO/石墨烯复合纳米材料的制备及表征

4.3.1 NMMO/石墨烯复合纳米材料的制备

4.3.2 NMMO/石墨烯复合纳米材料的表征分析方法

4.4 实验结果与讨论

4.4.1 氧化石墨烯-NMMO样品的XRD分析

4.4.2 氧化石墨烯-NMMO样品的SEM 分析

4.4.3 氧化石墨烯-NMMO样品的FT-IR分析

4.4.4 氧化石墨烯-NMMO样品的热重分析

4.4.5 氧化石墨烯-NMMO样品的拉曼分析

4.4.6 氧化石墨烯-NMMO样品的XPS分析

4.4.7 形成机理研究

4.5 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢