石墨的高速剪切及電化學(xué)剝離研究.pdf

1、我國(guó)石墨礦產(chǎn)資源優(yōu)質(zhì)豐富，但石墨深加工能力欠缺，石墨資源面臨“低價(jià)出口原料，高價(jià)進(jìn)口產(chǎn)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(dǎo)熱性和透光性，較低的電阻率使其在電子器件、儲(chǔ)能材料及透明導(dǎo)電電極等方面有廣闊的應(yīng)用前景。氧化還原法制備石墨烯的質(zhì)量不均勻且產(chǎn)生的酸液對(duì)環(huán)境不利，液相剝離制備石墨烯產(chǎn)率低、質(zhì)量不均勻難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)；通過氣相沉積法雖可以得到高質(zhì)量的單層石墨烯，但是其制備工藝復(fù)雜，成本昂

2、貴。高速機(jī)械剪切剝離石墨，方法簡(jiǎn)單易行，但是石墨烯得率較低且質(zhì)量不均一。電化學(xué)剝離石墨制備石墨烯方法簡(jiǎn)單可行，在電場(chǎng)力的作用下帶電離子或離子基團(tuán)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(chǎn)率一直停留在較低的水平?；谝陨细鞣椒ㄔ诠I(yè)生產(chǎn)中的可操作性，本文擬采用機(jī)械剝離和電化學(xué)剝離方法對(duì)石墨材料進(jìn)行處理，以期提高石墨烯產(chǎn)率和質(zhì)量均一性。
　　本論文主要對(duì)石墨的高速機(jī)械剪切及電化學(xué)剝離進(jìn)行探索研究。論文主要分為

3、三個(gè)部分。第一部分對(duì)石墨進(jìn)行高速機(jī)械剪切，隨后對(duì)溶液上層中少層石墨烯含量及石墨烯尺寸進(jìn)行分析表征，探討出最適的剪切轉(zhuǎn)速與剪切時(shí)間；第二部分與第三部分均利用電化學(xué)方法，分別在水系電解液和有機(jī)系電解液中對(duì)石墨進(jìn)行插層剝離，通過控制不同的電解質(zhì)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(duì)剝離后的石墨進(jìn)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(jié)果表明：
　　經(jīng)表征可知天然石墨通過機(jī)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(shí)驗(yàn)表明：適當(dāng)?shù)募羟修D(zhuǎn)速與剪切時(shí)間可以提高上層溶液中少層石墨烯的含量，并可以通過機(jī)械剪切減小石墨顆粒的尺寸。冷水浴條件下機(jī)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(chǎn)率約為6.5％。
　　經(jīng)表征可知通過水系電化學(xué)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(lán)移，可知在電化學(xué)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(yàn)法對(duì)不同 NaOH及 H2O2濃度的電解液、不同電壓下的石墨電極進(jìn)行電化學(xué)剝離。通過石墨剝離脫落的質(zhì)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(biāo)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(shí)，石墨烯的產(chǎn)率在8.7%，
　　通過適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)系電化學(xué)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(lán)移，可知在電化學(xué)剝離過程中有電子與石墨發(fā)生摻雜，驗(yàn)證了四甲基銨陽(yáng)離子插入石墨層中，使石墨層間距變大。有機(jī)電化學(xué)剝離時(shí)，石墨的脫落量與電