低缺陷石墨烯的制備及其強(qiáng)流質(zhì)子束下?lián)p傷效應(yīng)研究.pdf

1、氚是極其重要的戰(zhàn)略資源和未來聚變堆的燃料，然而，氚也是反應(yīng)堆廢水中極難處理的放射性廢物，福島核事故中仍有100萬噸低濃度含氚廢水亟待處置。氫的三種同位素氕、氘、氚的分離是保證氚供給和含氚廢水處理的關(guān)鍵，如何設(shè)計與制備新型材料以提高氫同位素分離效率是當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)之一。過往的分離技術(shù)具有能耗高、附屬設(shè)備多、分離系數(shù)低等缺點。最新的研究表明，低缺陷石墨烯具有亞原子選擇性，可高效分離水中的氫同位素;同時理論研究證實，微孔石墨烯亦可通過量子篩分

2、效應(yīng)實現(xiàn)對不同尺寸分子的篩分，在低溫下可高效分離氫同位素氣體。
　　本論文將集中闡述新型低缺陷石墨烯與微孔石墨烯材料的制備方法，可分別適用于水中及氣體氫同位素分離。首先闡明了液相剝離法中無機(jī)鹽陰陽離子共插層機(jī)制，發(fā)展出一種無表面活性劑且無需超聲輔助的新型液相剝離方法，簡化了低缺陷石墨烯的制備流程，避免了殘留表面活性劑對后續(xù)石墨烯器件的影響;然后利用可以產(chǎn)生質(zhì)子束、氘束和中子的強(qiáng)流氘氚中子源科學(xué)裝置HINEG，以低缺陷單層石墨烯為輻

3、照對象，通過研制的質(zhì)子輻照靶盤，得到了微孔石墨烯材料，研究了mA級強(qiáng)流質(zhì)子束對石墨烯的損傷效應(yīng)。所取得的主要研究結(jié)果總結(jié)如下:
　　(1)提出了在無機(jī)鹽水相體系中低缺陷石墨烯制備過程中陰陽離子共插層機(jī)制。本工作中以石墨粉為前驅(qū)體，分別以LiCl、KCl、Li2SO4等無機(jī)鹽為插層劑，通過環(huán)保的水相剝離體系制備出低缺陷的石墨烯，比較了不同無機(jī)鹽剝離得到的石墨烯產(chǎn)率、晶格結(jié)構(gòu)、層數(shù)，發(fā)現(xiàn)離子半徑較大的K+與SO42-離子的剝離效果分別

4、優(yōu)于Li+和Cl-，總結(jié)出陰離子亦可提高石墨烯的剝離產(chǎn)率，完善了傳統(tǒng)的陽離子插層機(jī)制。基于此實驗結(jié)果，提出了陰陽離子在剝離過程中共插層的機(jī)理，并通過對比超聲洗前后樣品化學(xué)成分變化，對機(jī)理進(jìn)行了驗證，為優(yōu)化插層劑的選擇提供了理論依據(jù)。
　　(2)發(fā)展了一種無表面活性劑的水相體系低缺陷石墨烯制備方法。本工作利用LiOH作為插層劑，在無表面活性劑的條件下實現(xiàn)了低缺陷石墨烯的制備，得到石墨烯晶格結(jié)構(gòu)完整、尺寸為1-2μm，在水溶液中的分散

5、濃度可以達(dá)到0.09mg/ml，避免了表面活性劑殘留對低缺陷石墨烯性能的影響。通過總結(jié)實驗結(jié)果，結(jié)合密度泛函理論(DFT)計算Gibbs自由能發(fā)現(xiàn)，在剝離過程中OH-加成到低缺陷石墨烯邊緣，并且剝離體系中OH-的存在均是促使石墨烯在水中分散的重要因素。
　　(3)基于強(qiáng)流氘氚中子源科學(xué)裝置HINEG，設(shè)計研制了微孔石墨烯所用的質(zhì)子輻照靶盤。本工作基于粒子輻照制備微孔石墨烯的原理，設(shè)計了機(jī)械壓環(huán)結(jié)合導(dǎo)熱銀膠的樣品固定方式，可將多個低

6、缺陷石墨烯的輻照樣品（最多8個）緊密固定于HINEG大尺寸旋轉(zhuǎn)靶上。研制的質(zhì)子輻照靶盤實現(xiàn)了在1000rpm高速旋轉(zhuǎn)下的真空密封、水密封與樣品固定，可有效控制250keV，mA量級的質(zhì)子束持續(xù)轟擊給樣品帶來的能量沉積，同時在輻照過程中可實現(xiàn)每個樣品的質(zhì)子注量率與總注量保持嚴(yán)格一致，解決了過往研究中樣品之間注量率與總注量難以控制的問題，可用于量產(chǎn)微孔石墨烯，并可兼容其他薄膜樣品的質(zhì)子輻照測試。
　　(4)利用強(qiáng)流氘氚中子源科學(xué)裝置H

7、INEG的強(qiáng)流質(zhì)子束成功制備了微孔石墨烯。本工作研究了不同的質(zhì)子能量、注量率、總注量對石墨烯結(jié)構(gòu)損傷的影響，通過對比在相同量級注量下，不同注量率質(zhì)子束輻照后石墨烯的缺陷狀況，提出注量率是影響微孔石墨烯缺陷結(jié)構(gòu)和數(shù)量的重要因素，究其原因是注量率的提高會抑制石墨烯的自修復(fù)效應(yīng)。通過實驗還發(fā)現(xiàn)在一定能量范圍內(nèi)，質(zhì)子在石墨烯中的能量損失隨入射質(zhì)子能量的減小而增大，對石墨烯產(chǎn)生的輻照損傷效應(yīng)也越高。石墨損傷效應(yīng)的實驗結(jié)果與石墨烯類似。