石墨的高速剪切及電化學剝離研究.pdf

1、我國石墨礦產資源優(yōu)質豐富，但石墨深加工能力欠缺，石墨資源面臨“低價出口原料，高價進口產品”的窘態(tài)。石墨新材料的開發(fā)及深加工問題亟待解決。石墨烯因優(yōu)異的載流子遷移率、良好的導熱性和透光性，較低的電阻率使其在電子器件、儲能材料及透明導電電極等方面有廣闊的應用前景。氧化還原法制備石墨烯的質量不均勻且產生的酸液對環(huán)境不利，液相剝離制備石墨烯產率低、質量不均勻難實現(xiàn)工業(yè)化生產；通過氣相沉積法雖可以得到高質量的單層石墨烯，但是其制備工藝復雜，成本昂

2、貴。高速機械剪切剝離石墨，方法簡單易行，但是石墨烯得率較低且質量不均一。電化學剝離石墨制備石墨烯方法簡單可行，在電場力的作用下帶電離子或離子基團插入石墨層間，引起石墨的膨脹剝離。但是該方法目前的研究有限，石墨烯產率一直停留在較低的水平。基于以上各方法在工業(yè)生產中的可操作性，本文擬采用機械剝離和電化學剝離方法對石墨材料進行處理，以期提高石墨烯產率和質量均一性。
　　本論文主要對石墨的高速機械剪切及電化學剝離進行探索研究。論文主要分為

3、三個部分。第一部分對石墨進行高速機械剪切，隨后對溶液上層中少層石墨烯含量及石墨烯尺寸進行分析表征，探討出最適的剪切轉速與剪切時間；第二部分與第三部分均利用電化學方法，分別在水系電解液和有機系電解液中對石墨進行插層剝離，通過控制不同的電解質配比以及不同的直流電壓值得到少層石墨烯，并采用掃描電子鏡，透射電子顯微鏡，原子力顯微鏡，拉曼光譜法對剝離后的石墨進行分析表征，通過剝離脫落量、少層石墨烯的含量及得率，得到最適的電解液配比及濃度，最適的電

4、壓值等工藝參數(shù)。研究結果表明：
　　經表征可知天然石墨通過機械高速剪切剝離手段可以得到少層石墨烯。剪切后上層液中少層石墨烯的片層厚度在3 nm左右，(002)晶面層間距增大至0.353 nm。通過實驗表明：適當?shù)募羟修D速與剪切時間可以提高上層溶液中少層石墨烯的含量，并可以通過機械剪切減小石墨顆粒的尺寸。冷水浴條件下機械剪切有助于減小少層石墨烯片的尺寸，提高上層溶液中石墨烯的含量。常溫下以15000 rpm，剪切15 min，剝離出

5、的少層石墨烯的產率約為6.5％。
　　經表征可知通過水系電化學剝離可以得到少層石墨烯，石墨烯的片層厚度在2 nm左右，(002)晶面層間距為0.445 nm。拉曼顯示2D峰出現(xiàn)藍移，可知在電化學剝離過程中有電子與石墨發(fā)生摻雜.其中O22－、OH－等離子的插入可以使石墨層間距變大。利用正交試驗法對不同 NaOH及 H2O2濃度的電解液、不同電壓下的石墨電極進行電化學剝離。通過石墨剝離脫落的質量、上層液中少層石墨烯的含量、石墨烯片尺寸

6、大小以及表征等指標得出最適的NaOH濃度為3.5 mol?L-1，H2O2濃度為1.5 mol?L-1，在5 V電壓時，石墨烯的產率在8.7%，
　　通過適當?shù)挠袡C系電化學剝離方法可以得到少層石墨烯，石墨烯的片層厚度在2.1 nm左右，(002)晶面層間距為0.481 nm。拉曼光譜顯示2D峰出現(xiàn)藍移，可知在電化學剝離過程中有電子與石墨發(fā)生摻雜，驗證了四甲基銨陽離子插入石墨層中，使石墨層間距變大。有機電化學剝離時，石墨的脫落量與電