石墨烯及氧化石墨烯的结构和特征论文.doc

PAGE PAGE 引言随着社会的发展，人们对材料的要求越来越高，这使得材料领域的发展也日新月异，新兴材料受到各国研究者的注目，所谓“新材料”就是指那些具有传统材料所不具备的优异或特殊性能的一类材料。作为新材料的新秀—新型碳材料具有传统材料所不能比拟的优良性能，如密度小、强度大、刚度好、耐高温、抗化学腐蚀、抗疲劳、高导电、高导热、热膨胀小、生理相容性好等，同时既可成为世界上最硬的金刚石，也可成为世界上最软的石墨，可谓是军民两用的新材料，理所当然，被誉为第四大工业材料。碳元素在地球上分布广泛，其独特的物理性质和多种多样的形态己逐渐被人类发现、认识并利用。1924年确定了石墨和金刚结构;1985年发现了富勒烯1991年发现了碳纳米管2004年，曼彻斯特大学Geim等成功制备的石墨烯是继碳纳米管被发现后富勒烯家族中又一纳米级功能性材料，它的发现使碳材料领域更为充实，形成了从零维、一维、二维到三维的富勒烯、碳纳米管、石墨烯以及金刚石和石墨的完整系统。而2004年至今，关于氧化石墨烯和石墨烯的研究报道如雨后春笋般涌现，目前，其已成为物理、化学、材料学领域的国际热点课题。石墨层间化合物是近几年来新涌出的一种分子水平上的纳米复合材料，至今，利用石墨来制备石插层纳米复合材料已有不少报道。但是由于石墨本身不亲水不亲油以及无电荷的性质使其不能像层状的蒙脱土一样能通过层间的离子交换反应来实现单体的插层，这在一程度上限制了石墨与一些物质的纳米复合。为使石墨片层能够以纳米尺度与其它物质复合，可以通过两种方法对其进行改性:一是通过热膨胀形成膨胀石墨，以插层复合方式制备纳米复合材料;二是对石墨进行氧化改性制成氧化石墨后再超声处理得到氧化石墨烯并进行纳米复合。近几年来，国内外己有大量GO与多种基体复合的报道，仅被称作GO/聚合物纳米复合材料。2004年后，随着石墨烯单片在普通环境下的稳定存在被证实，以及机械剥离GO制备氧化石墨烯技术的成熟运用，才真正意义上实现氧化石墨烯/聚合物纳米复合材料的合成。但氧化石墨烯的概念运用并不普遍，一些学者仍使用氧化石墨/聚合物纳米复合材料。当然氧化石墨烯并不完全是单层的也可能是多层的。Dikln等用化学方法研制了石墨烯/聚合物导电纳米复合材料和无支撑的氧化石墨烯纸，从而掀起了石墨烯和氧化石墨烯研究的热潮。第1章 石墨烯与氧化石墨烯1.1石墨烯及氧化石墨烯的结构和特征1.1石墨烯是指碳原子之间呈六角环形排列的一种片状体，由一层碳原子构成，可在二维空间无限延伸，可以说是严格意义上的二维结构材料，同时，它被认为是宇宙上最薄的材料，也被认为是有史以来见过的最结实的材料。石墨烯可以认为是其它碳的同素异性体的基础材料，可以想象，将石墨烯包成球状时即可变成OD的C60球体;将其卷成无缝中空管即变成了ID的碳纳米管;将多层石墨烯堆叠放置即变成3D的石墨。其实关于石墨烯的理论研究已有60多年，但真正制备出石墨烯是在2004年第一次成功使石墨层剥离获得独立存在的单层或多层石墨烯。石墨烯与众不同的性质和物理特性吸引了越来越多的研究者，从此石墨烯的研究不再停留在理论阶段。图 1 单片石墨烯的结构及其演变C60，碳纳米管，及石墨的示意图2D结构的石墨烯具有优异的电子特性，且导电性依赖于片层的形状和片层数据悉石墨烯是目前已知的导电性能最出色的材料，可运用于导电高分子复合材料，这也使其在微电子领域半导体材料、晶体管和电池等方面极具应用潜力。有专家指出，如果用石墨烯制造微型晶体管将能够大幅度提升计算机的运算速度，其传输电流的速度比电脑芯片里的硅元素快100倍。近日，某科技日报称，有研究人员展示了由石墨烯材料制作而成的场效应晶体管经测试，其截止频率可达100吉赫兹，这是迄今为止运行速度最快的射频石墨烯晶体管。石墨烯的导热性能也很突出，且优于碳纳米管。石墨烯的表面积很大，McAlliste等通过理论计算得出石墨烯单片层的表面积为2630㎡ /g，，这个数据是活性炭的2倍多，可用于水净化系统。最近，Lee等研究人员选取了一些直径在10～20μm的石墨烯作为研究对象，对无缺陷的石墨烯的机械特性进行了全面的研究。实验发现，石墨烯在开裂前每100nm距离上可承受的压力居然达到了大约2.9μN，这一结果相当于要使lm长的石墨烯断裂须施加55N的压力。可以推算，若能制备出厚度约100nm即相当于普通食品塑料包装袋厚度的石墨烯，那么需要施加差不多20kN的压力才能将其破坏。也就是说，如果将石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品，这个数据是普通食品塑料袋忘尘莫及。1.1氧化石墨烯是石墨烯的一种重要的派生物，也被称为功能化的石墨烯，它的结构与石墨烯大体相同，只是在二维基面上连有一些官能团。通过表面元素分析(XPS)、红外光谱(FTIR)固体核磁共振谱等表征结果显