功能化氧化石墨烯的合成及其應(yīng)用研究.pdf

1、石墨烯是由碳原子堆積而成的單層的二維蜂窩狀碳材料，也是構(gòu)成其他維數(shù)碳同素異形體材料的基本單元。由于具備獨特的電學(xué)、光學(xué)、熱力學(xué)等物理性能，在光電子等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，所以石墨烯材料受到了科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注。氧化石墨烯是通過化學(xué)氧化剝離石墨而制備的，由于它具有成本低、可規(guī)?；苽涞膬?yōu)點而成為最受歡迎最具應(yīng)用前景的石墨烯前驅(qū)體。同時，氧化石墨烯片層含有豐富的含氧官能團，增加了后修飾的反應(yīng)位點，便于后續(xù)液相加工和功能化后修飾，調(diào)節(jié)石墨

2、烯材料的物理和化學(xué)性能。功能化氧化石墨烯的出現(xiàn)，豐富了石墨烯材料的種類，也拓寬了石墨烯材料的研究領(lǐng)域。因而本論文的工作聚焦于氧化石墨烯材料的功能化修飾，并探討功能化石墨烯材料的電學(xué)性能。
　　首先我們探討了氧化石墨烯的可控還原對材料電學(xué)性能的影響。氧化石墨烯的含有豐富的含氧官能團，但是不同的還原方法保留的含氧官能團的種類和數(shù)量有所差異，因而表現(xiàn)出的物理性能有很大的不同。如何可控的對氧化石墨烯進行還原，并探討還原前后材料的性能差異，

3、具有很大的研究價值。為此，我們通過有機合成上經(jīng)典的銀鹽的催化脫羧反應(yīng)，實現(xiàn)了氧化石墨烯可控的脫羧還原，在保持其他含氧官能團的含量基本不變的同時，還保留了氧化石墨烯良好的液相分散能力。最后，我們通過濕法加工的辦法，成功的將選擇性還原后的氧化石墨烯材料應(yīng)用于晶體管儲存器中，結(jié)果表明由該材料做成的晶體管器件比直接用氧化石墨烯做成的晶體管器件，表現(xiàn)出更大的存儲窗口和更好的穩(wěn)定性。
　　其次，我們制備了兩親性的石墨烯材料。氧化石墨烯由于豐富

4、的含氧官能團而可以很好分散在水中，但是該材料難以分散在其它有機溶劑中且導(dǎo)電性很差，嚴(yán)重阻礙了該材料在高分子復(fù)合材料中的應(yīng)用。為了克服上述問題，很多課題組對在氧化石墨烯片層接上了大分子或者聚合物，然后再對修飾后的氧化石墨烯進行還原，得到具有良好親油性的功能化石墨烯材料，并將其做為導(dǎo)電劑成功的引入到高分子復(fù)合材料中。但是，由此制備的功能化石墨烯材料，往往只能單一的溶于有機相或者水相中，難以實現(xiàn)具有兩親性的應(yīng)用。另一方面，對氧化石墨烯的功能化

5、大都是在有機溶劑中進行的，所以操作都較為繁瑣不夠環(huán)保。所以在本論文中，我們選用5,6-二氨基-2,3-二氰基吡嗪作為功能化試劑，多聚磷酸作為催化劑，在室溫水相的條件下對氧化石墨烯進行雜環(huán)功能化，再用肼還原，得到具有兩親性的石墨烯。由此得到的雜環(huán)功能化石墨烯能夠很好的分散在水和常用的甲醇、N,N-二甲基甲酰胺等有機溶劑中，在高分子復(fù)合材料和微納器件領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。
　　最后，我們制備了自由基功能化的石墨烯材料，并將該材料用作鋰離子

6、電池的負(fù)極。由于自由基和石墨烯之間通過強的共價鍵鏈接，從而有效的阻止了自由基在充放電過程中溶解于電解液。同時，這也將石墨烯和自由基的儲鋰能力有效的整合，結(jié)合石墨烯大的比表面積和良好的導(dǎo)電性，使該材料表現(xiàn)出高的電化學(xué)儲鋰性能。具體表現(xiàn)在，高的電容值(400次充放電循環(huán)后，電容值還可以保持在1080 mAh g-1，是石墨電容值的3倍多)、長的循環(huán)性能(400次)以及良好的倍率性能(在400、800、2000和5000 mA g-1電流密度