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産品特色

內容簡介

《石墨氧化－還原法製備石墨烯材料：製備過程中産物成分、結構和性質的演變及應用》注重基礎理論與應用技術研究並行，章節安排閤理，層次分明，專業術語準確。寫作上深入淺齣，邏輯性強。可作為從事石墨、石墨烯和碳材料科研、生産及應用領域的研究和專業技術人員的參考書，也可作為高等院校教師和研究生的教學參考書。

目錄

第1章碳的傢族與石墨烯的研究現狀1
1.1碳的傢族1
1.1.1碳元素及碳原子的鍵閤方式1
1.1.2碳傢族的組成2
1.2石墨烯的研究現狀9
1.2.1石墨烯的製備方法9
1.2.2石墨烯的結構16
1.2.3石墨烯的性質17
1.2.4石墨烯的應用18
1.3石墨烯材料的分類22
第2章石墨的礦物學特徵31
2.1樣品采集與錶徵方法31
2.1.1樣品采集31
2.1.2錶徵方法32
2.2顯微形貌、結構與化學組成特徵33
2.2.1顯微形貌與能譜分析33
2.2.2顯微結構與電子衍射分析36
2.2.3光電子能譜元素分析與結閤能37
2.3晶體結構特徵39
2.3.1晶胞參數39
2.3.2石墨化度與3R多型含量40
2.3.3結構缺陷與無序度42
2.4物理化學性質43
2.4.1熱穩定性43
2.4.2錶麵電性44
2.4.3界麵濕潤性45
2.4.4導電性46
2.4.5可膨脹性46
2.5小結50
第3章氧化石墨的製備與錶徵52
3.1氧化石墨製備的試驗方法與錶徵技術52
3.1.1製備方法52
3.1.2錶徵方法55
3.2石墨和氧化石墨的主要特徵56
3.2.1石墨和氧化石墨的結構56
3.2.2石墨與氧化石墨的官能團類型56
3.2.3石墨與氧化石墨的化學鍵類型58
3.2.4石墨與氧化石墨的拉曼光譜59
3.2.5石墨與氧化石墨的微形貌60
3.3氧化石墨的XRD特徵與結構變化61
3.3.1高錳酸鉀用量的影響61
3.3.2濃硫酸用量的影響62
3.3.3低溫階段反應時間的影響63
3.3.4中溫階段反應時間的影響63
3.4氧化石墨的紅外光譜特徵與官能團的變化64
3.4.1高錳酸鉀用量的影響64
3.4.2濃硫酸用量的影響65
3.4.3低溫階段反應時間的影響66
3.4.4中溫階段反應時間的影響67
3.5氧化石墨的拉曼光譜與氧化程度和結構有序性變化68
3.5.1高錳酸鉀用量的影響68
3.5.2濃硫酸用量的影響69
3.5.3抵溫階段反應時間的影響70
3.5.4中溫階段反應時間的影響71
3.6氧化石墨的X射綫光電子能譜與含氧官能團的變化72
3.7簡化Hummers法製備氧化石墨及錶徵73
3.7.1XRD特徵74
3.7.2FT-IR光譜特徵74
3.7.3Raman光譜特徵75
3.8石墨在氧化過程中的結構演變規律76
3.8.1石墨氧化過程中結構的變化過程76
3.8.2石墨氧化過程中的化學反應過程77
3.9小結79
第4章氧化石墨烯（薄膜）的製備與錶徵82
4.1氧化石墨烯（薄膜）的製備方法與錶徵技術82
4.1.1氧化石墨烯的製備方法82
4.1.2氧化石墨烯薄膜的製備方法84
4.1.3錶徵方法85
4.2pH對氧化石墨烯分散性和Zeta電位的影響86
4.2.1分散性86
4.2.2Zeta電位88
4.3氧化石墨烯粒度與AFM錶徵89
4.3.1粒度分析89
4.3.2AFM特徵與片層厚度變化89
4.4氧化石墨烯薄膜的結構與性能錶徵91
4.4.1氧化石墨烯薄膜的XRD特徵與結構變化91
4.4.2氧化石墨烯薄膜的TG-DTA特徵與熱穩定性變化92
4.4.5氧化石墨烯薄膜的UV-vis光譜與電子躍遷92
4.5大片徑氧化石墨烯分散液的製備與錶徵93
4.5.1大片徑氧化石墨烯分散液的製備方法93
4.5.2大片徑氧化石墨烯分散液的AFM錶徵94
4.6氧化石墨在製備氧化石墨烯過程中結構與屬性的演變94
4.7小結96
第5章還原氧化石墨烯（薄膜）的製備及錶徵99
5.1還原氧化石墨烯（薄膜）的製備方法及錶徵技術99
5.1.1還原氧化石墨烯的製備方法99
5.1.2還原氧化石墨烯薄膜的製備纔法103
5.1.3錶徵方法105
5.2化學還原過程中還原氧化石墨烯的屬性錶徵105
5.2.1顔色與分散性105
5.2.2Zeta電位106
5.2.3粒度分析107
5.2.4顯微形貌107
5.2.5還原後産物的結構屬性變化111
5.2.6化學法製備還原氧化石墨烯機理115
5.3焙燒還原過程中還原氧化石墨烯的屬性錶徵116
5.3.1空氣氣氛中焙燒處理氧化石墨烯製備的還原氧化石墨烯的屬性特116
5.3.2氮氣氣氛中焙燒處理氧化石墨製備的還原氧化石墨烯的屬性特徵121
5.3.3氮氣氣氛下焙燒氧化石墨製備還原氧化石墨烯的機理128
5.4水熱還原過程中三維還原氧化石墨烯的屬性錶徵129
5.4.1外觀形貌與顯微形貌特徵129
5.4.2微區形貌與晶格條紋特徵130
5.4.3物相結構特徵131
5.4.4Raman光譜特徵132
5.4.5FT-IR光譜特徵132
5.4.6XPS光譜特徵133
5.5氧化還原法製備還原氧化石墨烯的屬性變化l34
5.5.1結構的變化134
5.5.2産物結構中官能團的變化136
5.5.3産物微晶尺寸的變化137
5.6小結139
第6章石墨烯與氧化石墨烯的能帶結構計算142
6.1計算方法的選擇與參數設定l42
6.1.1緊束縛近似法l42
6.1.2第性原理計算法143
6.1.3方法的選擇與參數設定143
6.2石墨烯的電子結構144
6.3石墨烯納米帶的電子結構146
6.4氧化石墨烯電子結構148
6.4.1環氧型氧化石墨烯電子結構148
6.4.2羥基型氧化石墨烯電子結構154
6.5環氧與羥基共存型氧化石墨烯電子結構158
6.5.1結構模型與穩定性158
6.5.2禁帶寬度與電子態密度161
6.6缺陷型右墨烯電子結構163
6.7小結164
第7章石墨烯與氧化石墨烯的分子振動光譜計算l68
7.1石墨烯的分子振動光譜168
7.1.1石墨烯分子振動光譜的因子群分析168
7.1.2石墨烯分子振動光譜的理論計算170
7.1.3石墨烯與石墨分子振動光譜的對比分析171
7.2氧化石墨烯的分子振動光譜173
7.2.1環氧型氧化石墨烯的分子振動光譜173
7.2.2羥基型氧化石墨烯的分子振動光譜177
7.2.3環氧和羥基共存型氧化石墨烯的分子振動光譜179
7.3缺陷型石墨烯拉曼光譜183
7.4小結184第8章不同氧化還原程度氧化石墨（烯）的氣敏性能187
8.1氧化石墨（烯）氣敏元件的製備技術187
8.1.1氣敏元件的製備187
8.1.2氣敏元件的錶麵形貌188
8.1.3氣敏元件的氣敏性能測試189
8.2不同氧化程度氧化石墨（烯）的氣敏性能190
8.2.1不同氧化程度氧化石墨（烯）的阻溫特性190
8.2.2不同氧化程度氧化石墨（烯）的濕敏性能192
8.2.3不同氧化程度氧化石墨（烯）的乙醇敏感性能194
8.2.4不同氧化程度氧化石墨（烯）的氨氣敏感性能196
8.2.5不同氧化程度氧化石墨（烯）的甲烷敏感性能197
8.2.6不同氧化程度氧化石墨（烯）的氫氣敏感性能199
8.3不同還原程度氧化石墨（烯）的氣敏性能200
8.3.1不同還原程度還原氧化石墨（烯）的阻溫特性200
8.3.2不同還原程度還原氧化石墨（烯）的濕敏性能203
8.3.3不同還原程度還原氧化石墨（烯）的乙醇敏感性能207
8.3.4不同還原程度還原氧化石墨（烯）的氨氣敏感性能210
8.3.5雨同還原程度還原氧化石墨（烯）的甲烷敏感性能213
8.3.6不同還原程度還原氧化石墨（烯）的氫氣敏感性能215
8.4氧化石墨（烯）敏感機理217
8.4.1氧化石墨（烯）的結構和半導體特性217
8.4.2氧化石墨（烯）對氣體分子的吸附與響應217
8.4.3氧化石墨（烯）的敏感機理分析219
8.4.4氧化石墨（烯）的敏感模型220
8.5小結221
第9章T102／還原氧化石墨烯納米復閤物的製備、錶徵與氣敏性能223
9.1Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物及其氣敏元件的製備技術及錶徵方法223
9.1.1Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物及其氣敏元件的製備技術223
9.1.2錶徵方法224
9.2Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物製備過程中産物的結構變化225
9.2.1氧化石墨及插層、水解産物的結構變化225
9.2.2Ti(OH)4/氧化石墨烯納米復閤物焙燒過程中的結構變化226
9.2.3Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物的微觀形貌227
9.2.4Ti02/逐原氧化石墨烯納米復閤物官能團變化229
9.2.5Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物的成鍵特點229
9.2.6Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物製備過程中結構的變化模型231
9.3Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物的阻溫特性231
9.4Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物的濕敏性能233
9.5Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物的乙醇敏感性能235
9.6Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物的氨氣敏感性能236
9.7Ti()2/還原氧化石墨烯納米復閤物的敏感機理238
9.7.1Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物的吸附機理238
9.7.2Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物的氣敏機理及模型239
9.8小結241
第10章氧化石墨烯改性産物的製備及屬性錶徵244
10.1氧化石墨烯的有機改性及錶徵方法244
10.1.1有機改性方法244
10.1.2錶徵方法249
10.2烷基季銨鹽插層氧化石墨的結構和屬性錶徵249
10.2.1C。TAB插層氧化石墨的結構變化249
10.2.2C。TAB插層氧化石墨的FT-IR光譜分析251
10.2.3C。TAB插層氧化石墨的Raman光譜252
10.2.4C。TAB在氧化石墨層間的排布模式253
10.3烷基季銨鹽改性還原氧化石墨烯的結構和屬性衷徵255
10.3.1烷基季銨鹽改性氧化石墨烯的有機分散性255
10.3.2烷基季銨鹽改性氧化石墨烯還原産物的結構變化256
10.3.3烷基季銨鹽改性氧化石墨烯還原産物的FT-IR光譜257
10.3.4烷基季銨鹽改性還原氧化石墨烯的Raman光譜257
10.3.5烷基季銨鹽改性氧化石墨烯還原産物的有機分散性258
10.4對苯二胺(PPD)接枝還原氧化石墨烯的結構和屬性錶徵259
10.4.1PPD接枝還原氧化石墨烯的結構259
10.4.2PPD接枝石墨烯的FT-IR光譜260
10.4.3PPD接枝還原氧化石墨烯的Raman光譜261
10.4.4PPD接枝還原氧化石墨烯的XPS264
10.4.5PPD接枝還原氧化石墨烯的有機分散性265
10.4.6PPD接枝還原氧化石墨烯的熱穩定性266
10.4.7PPD接枝還原氧化石墨烯的電導率267
10.4.8PPD接枝還原氧化石墨烯的機理268
10.5小結268
第11章聚苯胺／還原氧化石墨烯納米復閤物的製備及屬性錶徵271
11.1綮苯胺／還原氧化石墨烯納米復閤物製備與錶徵技術271
11.1.1製備方法27111.1.2錶徵方法276
11.2聚苯胺／氧化石墨烯納米復閤物的屬性錶徵277
11.2.1PANI/GOs納米復閤物的結構變化277
11.2.2PANI／GOs納米復閤物的形貌278
11.2.3PANI/GOs納米復閤物的FT-IR光譜280
11.2.4PANI／GOs納米復閤物的Raman光譜28l
11.2.5PANI／GOs納米復閤物的電學性能282
11.2.6PANI/GOs納米復閤物的電化學性能284
11.2.7PANI／GOs納米復閤物的復閤機理285
11.3聚苯胺／還原氧化石墨烯納米復閤物的屬性錶徵286
11.3.1PANI／Gs納米復閤物的結構變化286
11.3.2PANI/Gs納米復閤物的形貌變化287
11.3.3PANI／Gs納米復閤物的FT-IR光譜分析288
11.3.4PANI/Gs納米復閤物的Raman光譜分析289
11.3.5PANI／Gs納米復閤物的電學性能289
11.3.6PANI/Gs納米復閤物的電化學性能291
11.3.7PANI/Gs緗米復閤物的復閤機理292
11.4小結293
第12章三維還原氧化石墨烯／

精彩書摘

第1章碳的傢族與石墨烯的研究現狀
1.1碳的傢族
碳作為自然界最為重要、分布最廣的元素之一，其多種多樣的存在形式不斷被人們發現、認識和利用。在地球上，碳以單質或化閤物的形式廣泛存在於岩石圈和生物圈中。碳除瞭以單質形式形成多種同素異形體外，還可以形成大量的碳酸鹽類礦物和含碳有機物等。
目前，已知最為典型的碳同素異形體有金剛石、石墨、碳納米管、富勒烯和石墨烯等，除此之外，還包括活性炭、炭黑、煤炭、炭縴維等非晶形式。雖然它們都是由碳原子構成的，但由於其碳原子鍵閤方式及結構不同，從而導緻它們的性質也大為不同。
1.1.1碳元素及碳原子的鍵閤方式
1.碳元素
碳元素位於元素周期錶第二周期第四主族，原子序數為6，有12C和13C兩種穩定同位素，其質量數分彆為12和13，12C在數量上占絕對優勢，相對豐度為98.892%，而13C僅為1.108%。碳原子中有6個核外電子，碳原子的存在狀態和能量的高低取決於這些電子的運動狀態和能量的大小。而且當碳原子處於能量最低的基態時，這些電子將分屬於K、L層，K層有兩個1s電子，L層有兩個2s電子和兩個2p電子。所以碳原子的基態可錶示為：1s22s22p2。L層的2s和2p軌道上的4個電子為價電子。
2.碳原子的鍵閤方式
碳原子之間在結閤形成化學鍵過程中，由於原子間的相互影響，位於L層的2s和2p原子軌道進行綫性組閤，形成雜化軌道。根據原子雜化軌道理論，碳原子之間結閤形成化學鍵時，參與雜化的2p電子數不同，2s和2p軌道進行綫性組閤可形成sp-n雜化軌道(-n-1、2、3)。即1個2s軌道與1，2或3個2p軌道雜化形成sp，sp2或sp3雜化軌道。如圖1.1所示。
圖1.1碳原子的雜化類型
碳原子的1個2s軌道與1個2p軌道雜化就形成2個sp雜化軌道，每個sp雜化軌道均含有1/2的2s軌道成分和1/2的2p軌道成分，呈直綫構型，軌道間的夾角為180°。1個2s軌道與2個2p軌道雜化就形成3個sp2雜化軌道，每個sp2雜化軌道均含有1/3的2s軌道成分和2/3的2p軌道成分，呈正三角形構型，軌道間的夾角為120°。1個2s軌道與3個2p軌道雜化就形成4個sp3雜化軌道，每個sp3雜化軌道均含有1/4的2s軌道成分和3/4的2p軌道成分，呈四麵體構型，軌道間的夾角為109°28′。各雜化軌道的空間構型如圖1.2所示。
sp雜化sp2雜化sp3雜化
圖1.2碳原子的雜化軌道與空間構型
當碳原子之間通過等性sp3雜化軌道結閤時形成鍵角為109°28′的σ鍵，每個碳原子都為正四麵體構型，形成金剛石結構。
當碳原子之間通過sp2雜化軌道結閤時形成鍵角為120°的σ鍵，剩餘的2p-z�齙繾�(又稱π電子)的啞鈴形電子雲都平行於-z�鮒岱較潁�形成離域性大π鍵，每個碳原子都為正三角形構型，形成石墨烯結構。在石墨烯中，由於π鍵的作用，使碳—碳鍵長有所縮短，由金剛石的0.154 nm縮短到石墨烯的0.142 nm。
當碳原子之間通過sp雜化軌道結閤時形成鍵角為180°的σ鍵，其餘兩個2p電子形成2個π鍵，所有碳原子成綫性排列，形成卡賓結構。
1.1.2碳傢族的組成
眾所周知，人類在很久以前就開始應用碳單質，例如金剛石和石墨等，它們在碳傢族中有著舉足輕重的地位，具有廣泛的用途。金剛石可用作寶石、刀具、鑽頭等；而石墨則可用來製作電極、石墨坩堝、潤滑劑、鑄造模麵、耐火磚等。隨著科學技術的發展，人們對碳材料的認識也不斷加深，科學傢相繼發現瞭富勒烯、碳納米管、卡賓碳、石墨烯等碳的單質，從而構成瞭現在龐大的碳材料傢族。
截至目前，已發現的碳傢族成員可分為無定形碳和晶質碳兩類，無定形碳是碳原子不規則排列的非晶質碳，而晶質碳又可根據其原子軌道雜化方式劃分為sp雜化、sp2雜化和sp3雜化形成的碳的同素異形體。以sp雜化方式形成的單質為卡賓；以sp2雜化方式形成的單質有石墨、石墨烯；以sp2和sp3共存雜化方式形成的單質有碳納米管和富勒烯；以sp3雜化方式形成的單質則為金剛石。不同的雜化方式形成的晶質碳同素異形體的基本性質有較大差彆(錶1.1)。
錶1.1幾種晶質碳同素異形體及其性質
雜化方式spsp2sp2+sp3sp3
同素異形體卡賓石墨石墨烯碳納米管富勒烯金剛石
密度，g/cm3-α��-2.68；-β��-3.132.2660.770.8～2.01.723.515
鍵長，nm0.1200.1420.140～0.1460.154
1.金剛石
金剛石是自然界中已知硬度最大的物質，具有金剛石型結構(圖1.3)。等軸晶係，空間群為O7hFd3m�觶�晶胞參數為a0-0.356 nm，Z-8。碳原子處在晶胞的角頂、麵心以及各相間的1/8晶胞的小立方體的中心，為四麵體配位。每個碳原子與其相鄰的四個碳原子以sp3雜化形成共價鍵。C—C鍵長為0.154 nm，鍵角為109°28′。也有人把金剛石的結構視為閃鋅礦型，即將結構中1/2的C4-(半徑r-0.128 nm )呈立方最緊密堆積，而C4+(半徑r-0.026 nm)填充其半數四麵體空隙。在1967年隕石和地球撞擊的熔結岩石中發現瞭六方金剛石，經分析錶明，它具有縴鋅礦型結構，相應的空間群為C46VP63 -mc�觶�晶胞參數為-a0-0.252 nm，c0-0.412 nm，Z-4。金剛石與六方金剛石的結構可以與ZnS的3C型以及2H型的多型結構相對比。
圖1.3金剛石的晶體結構
金剛石常呈單晶，常見的單形有八麵體-o{111} 、菱形十二麵體-d{110}、立方體-a�鰗100}，有時可見到四六麵體和六八麵體(圖1.4)。單晶大小不一，直徑一般小於1毫米到數毫米，也有少數大顆粒産齣，如世界著名的寶石級金剛石“庫利南”、“高貴無比” 和“萊索托布朗”的重量都在600剋拉(1剋拉-0.2剋)以上。我國發現的最大的一顆金剛石“常林鑽石”重158.7860剋拉。而且，經理論研究與實際使用可知，晶體的形態與完整性及顆粒大小決定其使用價值和應用範圍。
圖1.4金剛石晶體
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