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产品特色

内容简介

《石墨氧化－还原法制备石墨烯材料：制备过程中产物成分、结构和性质的演变及应用》注重基础理论与应用技术研究并行，章节安排合理，层次分明，专业术语准确。写作上深入浅出，逻辑性强。可作为从事石墨、石墨烯和碳材料科研、生产及应用领域的研究和专业技术人员的参考书，也可作为高等院校教师和研究生的教学参考书。

目录

第1章碳的家族与石墨烯的研究现状1
1.1碳的家族1
1.1.1碳元素及碳原子的键合方式1
1.1.2碳家族的组成2
1.2石墨烯的研究现状9
1.2.1石墨烯的制备方法9
1.2.2石墨烯的结构16
1.2.3石墨烯的性质17
1.2.4石墨烯的应用18
1.3石墨烯材料的分类22
第2章石墨的矿物学特征31
2.1样品采集与表征方法31
2.1.1样品采集31
2.1.2表征方法32
2.2显微形貌、结构与化学组成特征33
2.2.1显微形貌与能谱分析33
2.2.2显微结构与电子衍射分析36
2.2.3光电子能谱元素分析与结合能37
2.3晶体结构特征39
2.3.1晶胞参数39
2.3.2石墨化度与3R多型含量40
2.3.3结构缺陷与无序度42
2.4物理化学性质43
2.4.1热稳定性43
2.4.2表面电性44
2.4.3界面湿润性45
2.4.4导电性46
2.4.5可膨胀性46
2.5小结50
第3章氧化石墨的制备与表征52
3.1氧化石墨制备的试验方法与表征技术52
3.1.1制备方法52
3.1.2表征方法55
3.2石墨和氧化石墨的主要特征56
3.2.1石墨和氧化石墨的结构56
3.2.2石墨与氧化石墨的官能团类型56
3.2.3石墨与氧化石墨的化学键类型58
3.2.4石墨与氧化石墨的拉曼光谱59
3.2.5石墨与氧化石墨的微形貌60
3.3氧化石墨的XRD特征与结构变化61
3.3.1高锰酸钾用量的影响61
3.3.2浓硫酸用量的影响62
3.3.3低温阶段反应时间的影响63
3.3.4中温阶段反应时间的影响63
3.4氧化石墨的红外光谱特征与官能团的变化64
3.4.1高锰酸钾用量的影响64
3.4.2浓硫酸用量的影响65
3.4.3低温阶段反应时间的影响66
3.4.4中温阶段反应时间的影响67
3.5氧化石墨的拉曼光谱与氧化程度和结构有序性变化68
3.5.1高锰酸钾用量的影响68
3.5.2浓硫酸用量的影响69
3.5.3抵温阶段反应时间的影响70
3.5.4中温阶段反应时间的影响71
3.6氧化石墨的X射线光电子能谱与含氧官能团的变化72
3.7简化Hummers法制备氧化石墨及表征73
3.7.1XRD特征74
3.7.2FT-IR光谱特征74
3.7.3Raman光谱特征75
3.8石墨在氧化过程中的结构演变规律76
3.8.1石墨氧化过程中结构的变化过程76
3.8.2石墨氧化过程中的化学反应过程77
3.9小结79
第4章氧化石墨烯（薄膜）的制备与表征82
4.1氧化石墨烯（薄膜）的制备方法与表征技术82
4.1.1氧化石墨烯的制备方法82
4.1.2氧化石墨烯薄膜的制备方法84
4.1.3表征方法85
4.2pH对氧化石墨烯分散性和Zeta电位的影响86
4.2.1分散性86
4.2.2Zeta电位88
4.3氧化石墨烯粒度与AFM表征89
4.3.1粒度分析89
4.3.2AFM特征与片层厚度变化89
4.4氧化石墨烯薄膜的结构与性能表征91
4.4.1氧化石墨烯薄膜的XRD特征与结构变化91
4.4.2氧化石墨烯薄膜的TG-DTA特征与热稳定性变化92
4.4.5氧化石墨烯薄膜的UV-vis光谱与电子跃迁92
4.5大片径氧化石墨烯分散液的制备与表征93
4.5.1大片径氧化石墨烯分散液的制备方法93
4.5.2大片径氧化石墨烯分散液的AFM表征94
4.6氧化石墨在制备氧化石墨烯过程中结构与属性的演变94
4.7小结96
第5章还原氧化石墨烯（薄膜）的制备及表征99
5.1还原氧化石墨烯（薄膜）的制备方法及表征技术99
5.1.1还原氧化石墨烯的制备方法99
5.1.2还原氧化石墨烯薄膜的制备才法103
5.1.3表征方法105
5.2化学还原过程中还原氧化石墨烯的属性表征105
5.2.1颜色与分散性105
5.2.2Zeta电位106
5.2.3粒度分析107
5.2.4显微形貌107
5.2.5还原后产物的结构属性变化111
5.2.6化学法制备还原氧化石墨烯机理115
5.3焙烧还原过程中还原氧化石墨烯的属性表征116
5.3.1空气气氛中焙烧处理氧化石墨烯制备的还原氧化石墨烯的属性特116
5.3.2氮气气氛中焙烧处理氧化石墨制备的还原氧化石墨烯的属性特征121
5.3.3氮气气氛下焙烧氧化石墨制备还原氧化石墨烯的机理128
5.4水热还原过程中三维还原氧化石墨烯的属性表征129
5.4.1外观形貌与显微形貌特征129
5.4.2微区形貌与晶格条纹特征130
5.4.3物相结构特征131
5.4.4Raman光谱特征132
5.4.5FT-IR光谱特征132
5.4.6XPS光谱特征133
5.5氧化还原法制备还原氧化石墨烯的属性变化l34
5.5.1结构的变化134
5.5.2产物结构中官能团的变化136
5.5.3产物微晶尺寸的变化137
5.6小结139
第6章石墨烯与氧化石墨烯的能带结构计算142
6.1计算方法的选择与参数设定l42
6.1.1紧束缚近似法l42
6.1.2第性原理计算法143
6.1.3方法的选择与参数设定143
6.2石墨烯的电子结构144
6.3石墨烯纳米带的电子结构146
6.4氧化石墨烯电子结构148
6.4.1环氧型氧化石墨烯电子结构148
6.4.2羟基型氧化石墨烯电子结构154
6.5环氧与羟基共存型氧化石墨烯电子结构158
6.5.1结构模型与稳定性158
6.5.2禁带宽度与电子态密度161
6.6缺陷型右墨烯电子结构163
6.7小结164
第7章石墨烯与氧化石墨烯的分子振动光谱计算l68
7.1石墨烯的分子振动光谱168
7.1.1石墨烯分子振动光谱的因子群分析168
7.1.2石墨烯分子振动光谱的理论计算170
7.1.3石墨烯与石墨分子振动光谱的对比分析171
7.2氧化石墨烯的分子振动光谱173
7.2.1环氧型氧化石墨烯的分子振动光谱173
7.2.2羟基型氧化石墨烯的分子振动光谱177
7.2.3环氧和羟基共存型氧化石墨烯的分子振动光谱179
7.3缺陷型石墨烯拉曼光谱183
7.4小结184第8章不同氧化还原程度氧化石墨（烯）的气敏性能187
8.1氧化石墨（烯）气敏元件的制备技术187
8.1.1气敏元件的制备187
8.1.2气敏元件的表面形貌188
8.1.3气敏元件的气敏性能测试189
8.2不同氧化程度氧化石墨（烯）的气敏性能190
8.2.1不同氧化程度氧化石墨（烯）的阻温特性190
8.2.2不同氧化程度氧化石墨（烯）的湿敏性能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）的氨气敏感性能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）的氢气敏感性能199
8.3不同还原程度氧化石墨（烯）的气敏性能200
8.3.1不同还原程度还原氧化石墨（烯）的阻温特性200
8.3.2不同还原程度还原氧化石墨（烯）的湿敏性能203
8.3.3不同还原程度还原氧化石墨（烯）的乙醇敏感性能207
8.3.4不同还原程度还原氧化石墨（烯）的氨气敏感性能210
8.3.5雨同还原程度还原氧化石墨（烯）的甲烷敏感性能213
8.3.6不同还原程度还原氧化石墨（烯）的氢气敏感性能215
8.4氧化石墨（烯）敏感机理217
8.4.1氧化石墨（烯）的结构和半导体特性217
8.4.2氧化石墨（烯）对气体分子的吸附与响应217
8.4.3氧化石墨（烯）的敏感机理分析219
8.4.4氧化石墨（烯）的敏感模型220
8.5小结221
第9章T102／还原氧化石墨烯纳米复合物的制备、表征与气敏性能223
9.1Ti02/还原氧化石墨烯纳米复合物及其气敏元件的制备技术及表征方法223
9.1.1Ti02/还原氧化石墨烯纳米复合物及其气敏元件的制备技术223
9.1.2表征方法224
9.2Ti02/还原氧化石墨烯纳米复合物制备过程中产物的结构变化225
9.2.1氧化石墨及插层、水解产物的结构变化225
9.2.2Ti(OH)4/氧化石墨烯纳米复合物焙烧过程中的结构变化226
9.2.3Ti02/还原氧化石墨烯纳米复合物的微观形貌227
9.2.4Ti02/逐原氧化石墨烯纳米复合物官能团变化229
9.2.5Ti02/还原氧化石墨烯纳米复合物的成键特点229
9.2.6Ti02/还原氧化石墨烯纳米复合物制备过程中结构的变化模型231
9.3Ti02/还原氧化石墨烯纳米复合物的阻温特性231
9.4Ti02/还原氧化石墨烯纳米复合物的湿敏性能233
9.5Ti02/还原氧化石墨烯纳米复合物的乙醇敏感性能235
9.6Ti02/还原氧化石墨烯纳米复合物的氨气敏感性能236
9.7Ti()2/还原氧化石墨烯纳米复合物的敏感机理238
9.7.1Ti02/还原氧化石墨烯纳米复合物的吸附机理238
9.7.2Ti02/还原氧化石墨烯纳米复合物的气敏机理及模型239
9.8小结241
第10章氧化石墨烯改性产物的制备及属性表征244
10.1氧化石墨烯的有机改性及表征方法244
10.1.1有机改性方法244
10.1.2表征方法249
10.2烷基季铵盐插层氧化石墨的结构和属性表征249
10.2.1C。TAB插层氧化石墨的结构变化249
10.2.2C。TAB插层氧化石墨的FT-IR光谱分析251
10.2.3C。TAB插层氧化石墨的Raman光谱252
10.2.4C。TAB在氧化石墨层间的排布模式253
10.3烷基季铵盐改性还原氧化石墨烯的结构和属性衷征255
10.3.1烷基季铵盐改性氧化石墨烯的有机分散性255
10.3.2烷基季铵盐改性氧化石墨烯还原产物的结构变化256
10.3.3烷基季铵盐改性氧化石墨烯还原产物的FT-IR光谱257
10.3.4烷基季铵盐改性还原氧化石墨烯的Raman光谱257
10.3.5烷基季铵盐改性氧化石墨烯还原产物的有机分散性258
10.4对苯二胺(PPD)接枝还原氧化石墨烯的结构和属性表征259
10.4.1PPD接枝还原氧化石墨烯的结构259
10.4.2PPD接枝石墨烯的FT-IR光谱260
10.4.3PPD接枝还原氧化石墨烯的Raman光谱261
10.4.4PPD接枝还原氧化石墨烯的XPS264
10.4.5PPD接枝还原氧化石墨烯的有机分散性265
10.4.6PPD接枝还原氧化石墨烯的热稳定性266
10.4.7PPD接枝还原氧化石墨烯的电导率267
10.4.8PPD接枝还原氧化石墨烯的机理268
10.5小结268
第11章聚苯胺／还原氧化石墨烯纳米复合物的制备及属性表征271
11.1綮苯胺／还原氧化石墨烯纳米复合物制备与表征技术271
11.1.1制备方法27111.1.2表征方法276
11.2聚苯胺／氧化石墨烯纳米复合物的属性表征277
11.2.1PANI/GOs纳米复合物的结构变化277
11.2.2PANI／GOs纳米复合物的形貌278
11.2.3PANI/GOs纳米复合物的FT-IR光谱280
11.2.4PANI／GOs纳米复合物的Raman光谱28l
11.2.5PANI／GOs纳米复合物的电学性能282
11.2.6PANI/GOs纳米复合物的电化学性能284
11.2.7PANI／GOs纳米复合物的复合机理285
11.3聚苯胺／还原氧化石墨烯纳米复合物的属性表征286
11.3.1PANI／Gs纳米复合物的结构变化286
11.3.2PANI/Gs纳米复合物的形貌变化287
11.3.3PANI／Gs纳米复合物的FT-IR光谱分析288
11.3.4PANI/Gs纳米复合物的Raman光谱分析289
11.3.5PANI／Gs纳米复合物的电学性能289
11.3.6PANI/Gs纳米复合物的电化学性能291
11.3.7PANI/Gs缃米复合物的复合机理292
11.4小结293
第12章三维还原氧化石墨烯／

精彩书摘

第1章碳的家族与石墨烯的研究现状
1.1碳的家族
碳作为自然界最为重要、分布最广的元素之一，其多种多样的存在形式不断被人们发现、认识和利用。在地球上，碳以单质或化合物的形式广泛存在于岩石圈和生物圈中。碳除了以单质形式形成多种同素异形体外，还可以形成大量的碳酸盐类矿物和含碳有机物等。
目前，已知最为典型的碳同素异形体有金刚石、石墨、碳纳米管、富勒烯和石墨烯等，除此之外，还包括活性炭、炭黑、煤炭、炭纤维等非晶形式。虽然它们都是由碳原子构成的，但由于其碳原子键合方式及结构不同，从而导致它们的性质也大为不同。
1.1.1碳元素及碳原子的键合方式
1.碳元素
碳元素位于元素周期表第二周期第四主族，原子序数为6，有12C和13C两种稳定同位素，其质量数分别为12和13，12C在数量上占绝对优势，相对丰度为98.892%，而13C仅为1.108%。碳原子中有6个核外电子，碳原子的存在状态和能量的高低取决于这些电子的运动状态和能量的大小。而且当碳原子处于能量最低的基态时，这些电子将分属于K、L层，K层有两个1s电子，L层有两个2s电子和两个2p电子。所以碳原子的基态可表示为：1s22s22p2。L层的2s和2p轨道上的4个电子为价电子。
2.碳原子的键合方式
碳原子之间在结合形成化学键过程中，由于原子间的相互影响，位于L层的2s和2p原子轨道进行线性组合，形成杂化轨道。根据原子杂化轨道理论，碳原子之间结合形成化学键时，参与杂化的2p电子数不同，2s和2p轨道进行线性组合可形成sp-n杂化轨道(-n-1、2、3)。即1个2s轨道与1，2或3个2p轨道杂化形成sp，sp2或sp3杂化轨道。如图1.1所示。
图1.1碳原子的杂化类型
碳原子的1个2s轨道与1个2p轨道杂化就形成2个sp杂化轨道，每个sp杂化轨道均含有1/2的2s轨道成分和1/2的2p轨道成分，呈直线构型，轨道间的夹角为180°。1个2s轨道与2个2p轨道杂化就形成3个sp2杂化轨道，每个sp2杂化轨道均含有1/3的2s轨道成分和2/3的2p轨道成分，呈正三角形构型，轨道间的夹角为120°。1个2s轨道与3个2p轨道杂化就形成4个sp3杂化轨道，每个sp3杂化轨道均含有1/4的2s轨道成分和3/4的2p轨道成分，呈四面体构型，轨道间的夹角为109°28′。各杂化轨道的空间构型如图1.2所示。
sp杂化sp2杂化sp3杂化
图1.2碳原子的杂化轨道与空间构型
当碳原子之间通过等性sp3杂化轨道结合时形成键角为109°28′的σ键，每个碳原子都为正四面体构型，形成金刚石结构。
当碳原子之间通过sp2杂化轨道结合时形成键角为120°的σ键，剩余的2p-z�龅缱�(又称π电子)的哑铃形电子云都平行于-z�鲋岱较颍�形成离域性大π键，每个碳原子都为正三角形构型，形成石墨烯结构。在石墨烯中，由于π键的作用，使碳—碳键长有所缩短，由金刚石的0.154 nm缩短到石墨烯的0.142 nm。
当碳原子之间通过sp杂化轨道结合时形成键角为180°的σ键，其余两个2p电子形成2个π键，所有碳原子成线性排列，形成卡宾结构。
1.1.2碳家族的组成
众所周知，人类在很久以前就开始应用碳单质，例如金刚石和石墨等，它们在碳家族中有着举足轻重的地位，具有广泛的用途。金刚石可用作宝石、刀具、钻头等；而石墨则可用来制作电极、石墨坩埚、润滑剂、铸造模面、耐火砖等。随着科学技术的发展，人们对碳材料的认识也不断加深，科学家相继发现了富勒烯、碳纳米管、卡宾碳、石墨烯等碳的单质，从而构成了现在庞大的碳材料家族。
截至目前，已发现的碳家族成员可分为无定形碳和晶质碳两类，无定形碳是碳原子不规则排列的非晶质碳，而晶质碳又可根据其原子轨道杂化方式划分为sp杂化、sp2杂化和sp3杂化形成的碳的同素异形体。以sp杂化方式形成的单质为卡宾；以sp2杂化方式形成的单质有石墨、石墨烯；以sp2和sp3共存杂化方式形成的单质有碳纳米管和富勒烯；以sp3杂化方式形成的单质则为金刚石。不同的杂化方式形成的晶质碳同素异形体的基本性质有较大差别(表1.1)。
表1.1几种晶质碳同素异形体及其性质
杂化方式spsp2sp2+sp3sp3
同素异形体卡宾石墨石墨烯碳纳米管富勒烯金刚石
密度，g/cm3-α��-2.68；-β��-3.132.2660.770.8～2.01.723.515
键长，nm0.1200.1420.140～0.1460.154
1.金刚石
金刚石是自然界中已知硬度最大的物质，具有金刚石型结构(图1.3)。等轴晶系，空间群为O7hFd3m�觯�晶胞参数为a0-0.356 nm，Z-8。碳原子处在晶胞的角顶、面心以及各相间的1/8晶胞的小立方体的中心，为四面体配位。每个碳原子与其相邻的四个碳原子以sp3杂化形成共价键。C—C键长为0.154 nm，键角为109°28′。也有人把金刚石的结构视为闪锌矿型，即将结构中1/2的C4-(半径r-0.128 nm )呈立方最紧密堆积，而C4+(半径r-0.026 nm)填充其半数四面体空隙。在1967年陨石和地球撞击的熔结岩石中发现了六方金刚石，经分析表明，它具有纤锌矿型结构，相应的空间群为C46VP63 -mc�觯�晶胞参数为-a0-0.252 nm，c0-0.412 nm，Z-4。金刚石与六方金刚石的结构可以与ZnS的3C型以及2H型的多型结构相对比。
图1.3金刚石的晶体结构
金刚石常呈单晶，常见的单形有八面体-o{111} 、菱形十二面体-d{110}、立方体-a�鰗100}，有时可见到四六面体和六八面体(图1.4)。单晶大小不一，直径一般小于1毫米到数毫米，也有少数大颗粒产出，如世界著名的宝石级金刚石“库利南”、“高贵无比” 和“莱索托布朗”的重量都在600克拉(1克拉-0.2克)以上。我国发现的最大的一颗金刚石“常林钻石”重158.7860克拉。而且，经理论研究与实际使用可知，晶体的形态与完整性及颗粒大小决定其使用价值和应用范围。
图1.4金刚石晶体
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