石墨烯缺陷的特點(diǎn)與應(yīng)用研究.pdf

1、石墨烯是一種有著廣泛應(yīng)用前景的新型材料，隨著石墨烯研究的深入，其結(jié)構(gòu)缺陷的特點(diǎn)及應(yīng)用問(wèn)題吸引了眾多研究者的關(guān)注。
　　石墨烯的結(jié)構(gòu)缺陷可分為兩類(lèi)：一類(lèi)為本征缺陷，由石墨烯結(jié)構(gòu)中非sp2雜化的碳原子組成；第二類(lèi)為外引入缺陷，由石墨烯片層中與碳原子以共價(jià)鍵形式相連的其他原子如O，N等組成。此外，多層石墨烯堆疊、并域?yàn)轭?lèi)石墨結(jié)構(gòu)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生缺陷。以上這些缺陷的存在影響著石墨烯及相關(guān)材料的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等性質(zhì)，因此如何認(rèn)識(shí)這些缺陷的特點(diǎn)及

2、利用、控制這些缺陷顯得十分重要。
　　石墨烯的外引入缺陷如O，可在石墨烯上形成多種含氧官能團(tuán)（如C-O-C、C-OH、C(O)O），從而使石墨烯具有一定親水性，擁有一定量氧原子的石墨烯甚至可以在純水中均勻分散，這種材料通常被稱(chēng)為氧化石墨烯。本論文利用分子動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了氧化石墨烯在純水和無(wú)機(jī)鹽水溶液中不同的運(yùn)動(dòng)行為，發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯在純水中可以均勻分散，在無(wú)機(jī)鹽水溶液中卻趨于團(tuán)聚運(yùn)動(dòng)。模擬計(jì)算表明，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原

3、因是：氧化石墨烯均勻分散在水中是基于其含氧官能團(tuán)被水化，但是由于鹽離子的強(qiáng)水化作用，無(wú)機(jī)鹽水溶液中的氧化石墨烯含氧官能團(tuán)周?chē)糜谒乃肿訙p少，水化減弱，從而使氧化石墨烯在鹽溶液中的運(yùn)動(dòng)能力變小（如純水中氧化石墨烯的運(yùn)動(dòng)能力約為NaCl水溶液中的4倍），氧化石墨烯運(yùn)動(dòng)能力的減小最終導(dǎo)致其趨于團(tuán)聚。進(jìn)一步研究表明，這樣的團(tuán)聚行為與無(wú)機(jī)鹽的濃度、離子種類(lèi)有關(guān)。
　　基于氧化石墨烯在無(wú)機(jī)鹽中弱的運(yùn)動(dòng)能力，本研究發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯薄膜在鹽溶

4、液中（如Na2SO4水溶液）具有高的抗損壞性能，即使給予頻率30 kHz，功率100 W的超聲處理，也可以保持原貌。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，將氧化石墨烯薄膜在鹽溶液中水熱處理，可以得到完整的還原氧化石墨烯薄膜，此種薄膜電阻率為0.08?cm，遠(yuǎn)低于未還原氧化石墨烯薄膜的電阻率(>20 k?cm)。電阻率大幅減小的原因是：石墨烯結(jié)構(gòu)內(nèi)含氧官能團(tuán)的部分移除。
　　基于氧化石墨烯在純水中可均勻分散，并具有大分子性，本研究使用氧化石墨烯在水環(huán)境下

5、完成了其在高強(qiáng)度炭球表面的自組裝，利用高溫處理手段移除部分含氧官能團(tuán)后，成功制備出了高強(qiáng)度導(dǎo)電炭球，使得炭球電阻下降為原來(lái)的40％。此外，由于高強(qiáng)度炭球在我國(guó)還未見(jiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，因此本研究使用的高強(qiáng)度炭球采用自行研發(fā)的新工藝合成，在優(yōu)化條件下，以粒徑約800μm的炭球?yàn)槔?，本研究合成的炭球平均?qiáng)度可以達(dá)到50 N，達(dá)到先進(jìn)水平。
　　氧化石墨烯在惰性氣氛中高溫處理，可以移除部分含氧官能團(tuán)，但同時(shí)會(huì)由于氧原子伴隨著碳原子脫除而形成空洞

6、，從而導(dǎo)致新本征缺陷的出現(xiàn)。本論文利用高斯模擬方法，發(fā)現(xiàn)石墨烯內(nèi)部各原子的電荷分布由于共軛л鍵的存在是均勻的，但部分區(qū)域的缺陷改變了這種均勻的電荷分布，這種改變導(dǎo)致石墨烯缺陷區(qū)域具有更高的反應(yīng)活性。利用這種反應(yīng)活性的不同，本研究發(fā)現(xiàn)高溫空氣可以選擇性氧化去除石墨烯缺陷區(qū)域，保留非缺陷區(qū)域，并據(jù)此建立了選擇性表面氧化方法用于控制石墨烯缺陷。
　　本論文中，研究了各向同性瀝青經(jīng)炭質(zhì)中間相轉(zhuǎn)化為中間相炭微球（MCMBs）過(guò)程中的石墨烯形