石墨烯薄膜的制备和结构表征

石墨烯薄膜的制备方法及应用石墨烯是一种二维碳材料,具有强大的物理和化学性质,在许多领域都有广泛的应用前景。

其中,石墨烯薄膜的制备方法是一个重要的研究方向。

本文将介绍石墨烯薄膜的制备方法及其应用。

一、石墨烯薄膜的制备方法石墨烯薄膜的制备方法有多种,以下是其中几种常见的方法。

1. 物理法物理法制备石墨烯薄膜的主要步骤包括将石墨烯粉和氧化铜、氢氧化钠等反应物混合,通过加热和压融的方式生成石墨烯薄膜。

这种方法制备的石墨烯薄膜质量较高,但成本较高。

2. 化学法化学法制备石墨烯薄膜的主要步骤包括将石墨烯粉和氧化铜、氯化锌等反应物混合,通过溶剂化、溶胶-凝胶法等方法将石墨烯制成薄膜。

这种方法制备的石墨烯薄膜质量较差,但成本相对较低。

3. 电弧法电弧法制备石墨烯薄膜的主要步骤包括将石墨烯粉和溶剂混合,通过电弧加热的方式生成石墨烯薄膜。

这种方法制备的石墨烯薄膜厚度较大,但质量较好。

4. 光刻法光刻法制备石墨烯薄膜的主要步骤包括将石墨烯粉和光敏剂混合,通过曝光和显影的方法将石墨烯制成薄膜。

这种方法制备的石墨烯薄膜具有较好的导电和光学性能。

二、石墨烯薄膜的应用石墨烯薄膜具有许多优异的物理和化学性质,在许多领域都有广泛的应用前景。

以下是一些常见的应用。

1. 导电材料石墨烯薄膜具有良好的导电性能,可用于制备导电材料。

例如,在电池领域,将石墨烯薄膜用作电极材料,可以提高电池的导电性能和能量密度。

2. 光学材料石墨烯薄膜具有良好的光学性能,可用于制备光学材料。

例如,在显示器领域,将石墨烯薄膜用作光催化显示器,可以实现透明、节能和柔性的显示器。

3. 传感器材料石墨烯薄膜具有良好的传感性能,可用于制备传感器材料。

例如,在气体传感器领域,将石墨烯薄膜用作气体传感电极,可以实现高精度的气体传感。

4. 电子封装材料石墨烯薄膜具有良好的电子封装性能,可用于制备电子封装材料。

例如,在电子器件领域,将石墨烯薄膜用作封装材料,可以提高器件的稳定性和可靠性。

石墨烯薄膜的制备及性能优化研究石墨烯薄膜是一种由石墨烯制成的薄膜材料，其厚度为几纳米至数十纳米不等。

由于其独特的物理和化学性质，石墨烯薄膜已经被广泛应用于电子、光电、传感等领域，并在科学研究和实际应用中发挥了重要作用。

在本文中，我们将探讨石墨烯薄膜的制备方法和性能优化的研究现状。

一、制备方法目前，制备石墨烯薄膜的方法主要有三种：机械剥离法、化学气相沉积法和化学还原法。

机械剥离法是石墨烯最早被制备出来的方法之一。

这种方法的原理是将普通的石墨材料（如石墨粉末、天然石墨或石墨烯晶体）用胶带或其他材料粘贴在一起，然后用胶带轻轻地剥离下来，就可以获得一层薄膜。

这种方法制备的石墨烯薄膜缺陷较多，但也具有较高的导电性和透明度。

化学气相沉积法是目前最主要的石墨烯薄膜制备方法之一。

其原理是将可熔性的碳源（如甲烷、乙烯或丙烷）在高温下分解成碳原子，并在晶体衬底表面上沉积成石墨烯。

该方法可以制备高质量的石墨烯薄膜，但需要比较复杂的实验条件和装备。

化学还原法是通过还原氧化石墨烯来制备石墨烯薄膜。

在该方法中，氧化石墨烯会在某些还原剂（如氢气、还原钠或硼氢化钠）的作用下还原回石墨烯。

该方法简单易用，成本低，但制备的石墨烯薄膜缺陷较多。

二、性能优化研究随着石墨烯薄膜在各个领域的应用不断扩大，对其性能的优化研究也日益增多。

下面我们将从导电性、机械性能和光学性能三个方面分别探讨其性能优化研究现状。

导电性方面，石墨烯薄膜具有很高的电子迁移率和优异的电信号响应特性，成为电子器件制备的理想材料。

有人提出通过改变石墨烯薄膜的尺寸和形状来调节其导电性。

通过将石墨烯薄膜分割成不同的形状（如晶格形、三角形和长条形），可以在保持其质量的情况下改变其导电性能。

另外，人们也通过掺杂和功能化改性等手段，来调节石墨烯薄膜的导电性能。

如在石墨烯薄膜中掺杂一定量的杂质元素（如氮、硼、硫或氧），可以显著提高其导电性。

机械性能方面，石墨烯的机械强度和韧性也受到人们的极大关注。

石墨烯薄膜制备方法研究LT本科生毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目：石墨烯薄膜制备方法研究学院：化学工程学院专业：化学工程与工艺班级：化工0805学生：艾东东指导教师（含职称）：元炯亮副教授专业负责人：刘晓林1．设计（论文）的主要任务及目标主要任务：（1）利用Hummers法制备氧化石墨；（2）利用电化学还原法制备石墨烯。

主要目标：配置一定浓度的氧化石墨溶液，导电玻璃作为基底，将氧化石墨溶液涂于导电玻璃表面，在恒电压下还原氧化石墨，制得薄层石墨烯。

2．设计（论文）的基本要求和内容了解石墨烯国内外的研究现状和发展趋势，以及有关石墨烯的一些制备方法和表征手段，掌握基本的实验操作技能，学会分析实验结果。

毕业论文完成后应具备独立进行研究的能力。

3．主要参考文献[1] 朱宏伟，徐志平，谢丹等.石墨烯-结构、制备方法与性能表征[M].北京：清华大学出版社，2011:36～45[2]郭鹏.石墨烯的制备、组装及应用研究[D],北京：北京化工大学，2010[3] Hummers W S, Offeman R E, Preparation of graphite oxide[J].J Am ChemSoc, 1958,80(6):1339石墨烯薄膜制备方法研究摘要石墨烯是由单层碳原子组成的二维材料，它的特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质，成为当前研究的热门课题。

现有许多制备石墨烯的方法，比如固相法的机械剥离法、外延生长法；液相法的氧化还原法、有机合成法、溶剂热法；气相法的化学气相沉积法、电弧放电法等。

石墨烯在超级电容器、锂离子电池、纳米复合物等方面有着广泛的应用。

本文主要是探究电化学还原法制备薄层石墨烯的新方法。

本文利用Hummers法制备了氧化石墨，将所制得的氧化石墨溶解于N，N-二甲基甲酰胺溶液（DMF）中，然后把溶有氧化石墨的DMF溶液涂在导电玻璃表面，利用循环伏安法找出最佳的还原电压，在此恒电压下还原氧化石墨烯制得石墨烯，然后用红外光谱对其进行表征，同时利用紫外可见分光光度仪测试石墨烯的透射率测量石墨烯的厚度，发现我们合成的石墨烯基本为单层。

[Article]物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao )Acta Phys.-Chim.Sin.2011,27(3),736-742MarchReceived:September 30,2010;Revised:December 26,2010;Published on Web:February 15,2011.∗Corresponding author.Email:sunhongjuan@;Tel:+86-816-2419016.The project was supported by the Postgraduate Innovation Fund of Southwest University of Science and Technology,China (10ycjj21).西南科技大学研究生创新基金(10ycjj21)资助项目ⒸEditorial office of Acta Physico-Chimica Sinica石墨烯薄膜的制备和结构表征杨勇辉1孙红娟2,*彭同江2黄桥1(1西南科技大学理学院,四川绵阳621010;2西南科技大学矿物材料及应用研究所,四川绵阳621010)摘要:采用氧化还原法制备了石墨烯胶状悬浮液,通过真空抽滤获得了石墨烯薄膜.利用X 射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、拉曼(Raman)光谱、粒度分析和扫描探针显微镜(SPM)等研究了石墨烯薄膜制备过程中各阶段产物的晶体结构、粒度及分子光谱特征变化.FTIR 分析结果表明,石墨在氧化过程中结构层键合大量含氧官能团,还原后结构层表面仍残存有部分稳定的含氧官能团.XRD 结果表明,石墨氧化后衍射峰向小角度偏移、宽化,原有石墨峰消失.在成膜过程中氧化石墨烯形成凝聚体，而石墨烯形成絮凝体.粒度分析和SPM 测试分析结果表明,氧化石墨烯在水中粒径分布呈拖尾峰形,分布范围较宽.石墨烯在水中的粒径成单峰分布,分布范围较窄、对称性较好且平均粒径较小.Raman 测试结果表明,石墨在氧化和还原过程中,D 、G 峰逐渐宽化,I D /I G 逐渐增强,样品无序度增加.在以上分析的基础上对石墨烯制备过程的结构特征进行了归纳总结.关键词:石墨;氧化石墨;石墨烯;氧化还原法;晶体结构中图分类号:O641Synthesis and Structural Characterization ofGraphene-Based MembranesYANG Yong-Hui 1SUN Hong-Juan 2,*PENG Tong-Jiang 2HUANG Qiao 1(1College of Science,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,Sichuan Province,P .R.China ;2Institute of Mineral Materials &Application,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,Sichuan Province,P .R.China )Abstract:A stable hydrosol of graphene was synthesized by oxidation reduction and then a flow assembly of this graphene was used to form a graphene-based membrane by vacuum extraction filtering method.X-ray diffraction (XRD),Fourier transform infrared (FTIR)spectroscopy,Raman spectroscopy,particle size analysis,and scanning probe microscopy (SPM)were used to characterize the crystal structure,granularity,and characteristic change of the molecular spectrum of the samples in the reaction.FTIR tests show that the structural layer of graphite during the oxidation process bonds to a large number of functional groups and parts of these stable functional groups remain on the reduced structural layer of graphene.X-ray diffraction results show that the peaks of the graphite oxide shift to lower angles,become broader and the original graphite peak disappears.Suspensions of graphene oxide form condensed matter and graphene flocculating constituent during film deposition.Particle size analysis and SPM tests show that the particle sizes of the graphene oxide sheets that are dispersed in water show a tailing peak and a broad distribution while the graphene sheets show a singlet,narrower distribution,and smaller dimensions.Raman results show that during oxidation and reduction,the D peak and G peak of the samples gradually extend,I D /I G increases gradually and the degree of sample disorder increases.On the basis of the above analyses,the structural characteristics of the samples in the reaction are summarized.736杨勇辉等:石墨烯薄膜的制备和结构表征No.3Key Words:Graphite;Graphite oxide;Graphene;Oxidation reduction;Crystal structure1引言石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的碳质新材料.2004年Geim等1用微机械剥离的方法成功地将石墨层片剥离,观察到单层石墨层片,这种单独存在的二维有序碳被科学家们称为石墨烯.由于其独特的晶体结构特征,吸引了科学家们的广泛关注.微机械剥离制备的石墨烯,具有优异的物理性质,为物理学研究提供了平台.2−4然而微机械剥离制备的石墨烯产量低,难于实现大量生产.为了大量制备高质量石墨烯,科学家们探索了多种制备石墨烯的方法.目前,制备石墨烯采用的方法有:微机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法、溶剂剥离法和溶剂热法等.5-14虽然氧化还原法产生的缺陷导致了石墨烯电学性能的损失,但由于工艺简单、可靠、可大规模生产尤其是其低廉的成本,一直被认为是能够实现大规模生产石墨烯的有效途径.近年来,国内外学者从石墨烯分散、成膜以及应用等方面做了大量工作,使石墨烯在氧化还原法制备、表征等以及基础理论方面的研究取得了较大的进展.Ramesh等15对质量分数0.05%的氧化石墨胶状悬浮液在水中进行超声分散,制成的氧化石墨烯悬浮液在数周内仍保持稳定,不发生沉淀. Stankovich等16对1g·L-1的氧化石墨在水中的悬浮液进行适当的超声处理后,通过原子力显微镜(AFM)观测,发现这些悬浮液单片均为约1nm厚的片层.用强还原剂还原得到的石墨烯分散性变差,发生不可逆团聚.产生上述现象主要与氧化石墨烯和石墨烯表面特性有关,氧化石墨烯表面电位高,能够产生足够大的排斥力,故氧化石墨烯悬浮液能够稳定分散;还原后得到的石墨烯表面电位降低,表面斥力减小,体系趋于不稳定,发生不可逆团聚.17研究者们通过控制体系pH值18和化学修饰19的办法对样品表面进行了化学改性处理,制备了在水相和有机相条件下稳定分散的石墨烯胶状悬浮液,从根本上解决了石墨烯团聚问题,有利于氧化石墨烯和石墨烯胶状悬浮液的保存、使用等.Hu20和Dikin21等通过定性流动组装的方式将氧化石墨烯和石墨烯的胶状悬浮液制备成宏观的氧化石墨烯和石墨烯薄膜,探索了氧化石墨烯薄膜的抗菌特性,研究发现其能有效地抑制大肠杆菌的生长.由于氧化石墨烯制备简便、成本低廉,这种新型的碳纳米材料有望在环境、临床领域得到广泛的应用;还原后得到的石墨烯薄膜电学性能恢复,其面电导率达到184.8S·cm-1,可作为导电薄膜材料.22通过分析国内外关于石墨烯近期的研究成果,我们发现当前石墨烯的研究重点集中在制备及性能和应用上，而对石墨烯制备过程中阶段产物结构特性之间关联性和规律性的研究还未引起学者们的重视，鲜有报道.这与石墨烯阶段产物优良性能和广泛应用不相称，并影响更深层次研究工作的开展和深入.本课题组在前期的工作中通过氧化还原法制备了石墨烯,探索了影响石墨烯还原程度和稳定性的因素,成功地制备出还原程度高且分散性好的石墨烯胶状悬浮液,并对氧化石墨烯还原过程结构演化规律进行了研究.17本工作在此基础上进一步制备了石墨烯薄膜,并通过XRD、FTIR、Raman和SPM等手段对石墨烯制备过程中阶段产物进行测试和表征,研究制备过程中阶段产物的结构特征变化.2实验部分2.1试剂细鳞片石墨(青岛申墅石墨制品厂,含碳量90%-99.9%,过200目筛),高锰酸钾(KMnO4,纯度≥99.5%),浓硫酸(H2SO4,纯度95.0%-98.0%),过氧化氢(H2O2,纯度≥30%),浓盐酸(HCl,纯度36.0%-38.0%)均购自成都市科龙化工试剂厂;氢氧化钠(NaOH,纯度≥96%)购自天津市致远化学试剂有限公司;水合肼(N2H4·H2O,纯度≥80%)购自成都联合化工试剂研究所.实验用水为超纯水(>10MΩ·cm).2.2仪器设备恒温水浴锅(DF-101型,河南予华仪器有限公司),电子天平(JT2003型,余姚市金诺天平仪器有限公司),真空泵(SHZ-D(Ⅲ)型,巩义市瑞德仪器设备有限公司),超声波清洗器(KQ5200DE型,昆山市超声仪器有限公司),离心机(CF16RX型,日本日立公司),数字式pH计(PHS-2C型,上海日岛科学仪器有限公司),超纯水系统(UPT-II-10T型,成都超纯科技有限公司).2.3样品制备采用改进的Hummers法23制备氧化石墨.将1g 石墨、23mL98%浓硫酸置于100mL烧杯中混合均匀并置于冰浴中,搅拌30min,使其充分混合,称取737Acta Phys.⁃Chim.Sin.2011V ol.274g KMnO4加入烧杯中继续搅拌1h后,移入40°C的温水浴中继续搅拌30min;向烧杯中加入蒸馏水,控制温度在100°C以下将反应液稀释至80-100mL后加适量5%H2O2,趁热过滤,用5%HCl和蒸馏水充分洗涤至接近中性,过滤,60°C烘干,得到氧化石墨.在烧杯中配制pH为11的NaOH溶液,将氧化石墨研碎,加入烧杯中配制0.3g×L-1氧化石墨悬浮液100mL,置于超声波清洗器中在200W功率下超声30min,离心处理除去其中少量杂质,得到均质稳定的氧化石墨烯胶状悬浮液;向离心后的氧化石墨烯胶状悬浮液中加入0.5mL水合肼,90°C恒温反应10h,得到稳定的石墨烯胶状悬浮液.采用微孔滤膜(材料:混合纤维膜,规格:D100mm,孔径:0.22μm)过滤氧化石墨烯及石墨烯悬浮液,通过加入悬浮液的量控制薄膜厚度.过滤后将薄膜连同滤膜一起置于烘箱中于60°C烘干,然后将薄膜从滤膜揭下,得到氧化石墨烯和石墨烯薄膜样品.2.4测试表征XRD、FTIR、Raman和SPM分析在西南科技大学分析测试中心完成.XRD分析用荷兰帕纳科公司生产的X′pert MPD Pro型X射线衍射仪.实验条件:Cu靶,管电压40kV,管电流40mA;发射狭缝(DS):(1/2)º;防散射狭缝(SS):0.04rad;接收狭缝(AAS):5.5mm;扫描范围:3º-80º,连续扫描.FTIR 分析用美国尼高力仪器公司生产的Nicolet-5700型红外吸收光谱仪,扫描范围4000-400cm-1;KBr压片法制样.Raman分析用英国雷尼公司生产的InVia 型激光拉曼光谱仪,Ar+激光,波长514.5nm,扫描范围:1000-3000cm-1,精度:±1cm-1.SPM分析用日本精工生产SPI3800N型扫描探针显微镜,工作模式:动态力模式(DFM),扫描范围:XY:20μm,Z:2μm;分辨能力XY:0.2nm,Z:0.01nm.粒度分析在西南科技大学材料科学与工程学院完成.粒度分析用英国马尔文公司生产的Master-sizer2000型激光粒度分析仪,测量范围:0.02-1000μm.3结果与讨论3.1石墨烯薄膜制备过程中产物的粒度变化图1为氧化石墨烯和石墨烯胶状悬浮液的激光粒度分布曲线.图1(a)可以看出,氧化石墨烯在水中粒径分布呈拖尾峰形,且主峰不对称分布范围较宽,平均粒径为22.38μm;氧化石墨烯的中值粒径D(50)为20.06μm,这意味着50%的氧化石墨烯粒径小于20.06μm.图1(b)中,石墨烯在水中的粒径呈单峰分布,粒度范围较窄、对称性较好且平均粒径较氧化石墨烯有突出的变化,平均粒径为0.31μm;石墨烯的中值粒径D(50)为0.26μm,即50%的石墨烯粒径小于0.26μm.由此,可以说明在还原过程中氧化石墨烯结构层的化学键产生断裂,使还原后石墨烯的粒径减小.图2为氧化石墨烯和石墨烯胶状悬浮液的DFM图,所选观察区域为:10μm×10μm.图2(a)可以看出,氧化石墨烯的粒径分布较宽,单层厚度在1.3nm左右;图2(b)中,石墨烯粒径明显减小,粒径分布范围较窄,大部分的直径在0.5μm左右,也偶尔观察到1μm以上的大片;同时,单层的厚度减小,在1nm左右.二者变化趋势与激光粒度分析结果相吻合.这表明,氧化石墨烯在还原剂作用下,导致结构层内化学键断裂,粒径减小;同时,结构层表面官能团被还原,导致厚度减小.上述DFM分析测试的结果与激光粒度测得的粒径相比,相对偏小.主要是由于激光粒度分析测得样品默认为球状,此处存在一定程度偏差.DFM测试结果给出了更为直观的数据.3.2石墨烯薄膜制备过程中产物的结构变化图3为石墨、氧化石墨、氧化石墨烯薄膜和石墨烯薄膜的XRD图.石墨具有典型的层状结构,结构层是单层的石墨,即理想状态下的石墨烯.由图3(a)可以看出,d值为0.3354nm的衍射峰为石墨的d(002)特征衍射峰,峰形尖锐,表明石墨结晶度高.图3(b)中,氧化石墨在0.9351nm位置出现衍射峰,峰形宽化,且原有的石墨特征衍射峰消失,表明在氧化剂图1氧化石墨烯(a)和石墨烯(b)胶状悬浮液的激光粒度分析Fig.1Size distributions of graphene oxide(a)andgraphene(b)particles in the suspension738杨勇辉等:石墨烯薄膜的制备和结构表征No.3的作用下石墨被完全氧化.氧化使石墨层间键合大量含氧官能团,这些基团的存在使晶体的结构单元层发生一定程度的褶皱弯曲以及水分子的插入导致氧化石墨结构沿c 轴方向增大.24图3(c)可以看出,氧化石墨烯薄膜的衍射峰向低角度偏移、宽化,其结构单元层厚度增大到0.9540nm.图3(d)中,石墨烯薄膜的衍射峰消失.出现上述现象的原因是在氧化石墨烯和石墨烯悬浮液过滤成膜过程中,氧化石墨烯由于片径大,结构层基面上具有羟基、羧基等亲水官能团,在氢键的作用下,易沿基面形成凝聚体,从而有序堆积,故氧化石墨烯薄膜在XRD 上有衍射峰出现;而石墨烯虽然粒度分布窄,但粒径过小,且基面上残存的羟基易与边缘含氧基团结合,而形成絮凝体,从而形成无序堆积的石墨烯薄膜,在XRD 中无衍射峰.253.3石墨烯制备过程中产物的分子光谱特征3.3.1样品的FTIR 光谱图4为石墨、氧化石墨、氧化石墨烯薄膜和石墨烯薄膜的FTIR 光谱图,吸收峰频率列在表1中.通过FTIR 光谱分析,可以对石墨在氧化还原过程中化学键的变化情况进行定性讨论.石墨结构层内碳原子间为sp 2杂化的共价键,未参与杂化的p z 电子在结构层表面形成大的共轭π键,层间为分子键.从图中可以看出,石墨基本无红外吸收峰,理论分析石墨无红外活性.从图4(b)上可以看出,氧化石墨在4000-400cm -1范围内主要的吸收谱带分别为3430、1720、1634、1380、1264和1045cm -1.相应的吸收谱带归属如表1所示,与文献中报道的相符合26-28.石墨氧化后结构层中碳原子之间的sp 2键受到破坏,由于键合了上述官能团,形成了sp 3杂化的共价键型石墨层间化合物;同时石墨的共轭π键因含氧官能团的侵入而被破坏;四探针测试结果表明,所得氧化石墨的电阻率ρ＞104Ω·cm,为绝缘体.氧化石墨结构层中水分子和结构层表面键合官能团的存在,使其层间图2氧化石墨烯(a)和石墨烯(b)的DFM 图Fig.2DFM images of graphene oxide (a)and graphene(b)图3石墨(a),氧化石墨(b),氧化石墨烯薄膜(c)和石墨烯薄膜(d)的XRD 图谱Fig.3XRD patterns of graphite powder (a),graphite oxide (b),graphene oxide membrane (c),and graphenemembrane(d)图4石墨(a),氧化石墨(b),氧化石墨烯薄膜(c)和石墨烯薄膜(d)的FTIR 图谱Fig.4FTIR spectra of graphite powder (a),graphite oxide (b),graphene oxide membrane (c),and graphenemembrane (d)739Acta Phys.⁃Chim.Sin.2011V ol.27距增加,削弱了层间分子键力,这也是氧化石墨能够超声分散的原因.从图4(b,c)的红外光谱和表1对比中可以看出,氧化石墨和氧化石墨烯薄膜的吸收谱带基本一致.石墨烯薄膜的FTIR 图谱(图4(d))与氧化石墨烯薄膜(图4(c))相比,吸收峰明显减弱或消失,同时谱图中还残存有环氧和羟基等吸收谱带,表明氧化石墨结构层表面官能团在还原剂作用下大部分被还原,共轭π键恢复,结构层碳原子恢复sp 2杂化;同时,得到的石墨烯薄膜不能够重新分散,可能是产物结构层表面官能团减少,共轭π键恢复造成的.3.3.2样品的Raman 光谱图5为石墨、氧化石墨、氧化石墨烯薄膜和石墨烯薄膜Raman 光谱经平滑处理,采用Lorentizian 曲线拟合分峰并积分,得到的拟合曲线.由图得到D 峰中心位置,G 峰中心位置,D 峰积分强度I D ,G 峰积分强度I G ,积分强度比I D /I G 和平均晶粒尺寸L a (L a =44/(I D /I G ))等参数,各项参数及计算结果如表2所示.从图5(a)可知1351cm -1处为石墨D 峰,由碳环中sp 2原子呼吸振动的模式产生的.1588cm -1处的G 峰由碳环和长链中的所有sp 2原子对的拉伸运动产生.G 峰和D 峰都是由sp 2化学键振动引起.D 峰与石墨的晶粒的尺寸和杂质缺陷有关.纯净的石墨单晶是完全有序的,拉曼光谱只有一个尖锐的G 峰.晶体尺寸减小时,长程周期被破坏,无序度增加,会出现D 峰,并随尺寸减小,强度增强;29同时缺陷的存在也会导致一个很强的D 峰.D 峰与G 峰的积分强度比I D /I G 可以作sp 2键炭材料晶体结构的有序度和晶粒尺寸的检测标准.I D /I G 积分比值越大,则样品的缺陷越多,石墨化程度越低.D 峰增强服从TK 关系,I D /I G ∝1/L a .29-312722cm -1处为石墨的2D 峰,对应于无序拉曼模的和频,在完整的石墨晶体和缺陷存在的情况下有拉曼活性,故具有较强的拉曼信号.当样品石墨化程度很低时,2D 峰通常很弱、很宽,此处未考虑二阶拉曼峰.从图5(b)中可以看出,石墨氧化后D 峰增强,G图5石墨(a),氧化石墨(b),氧化石墨烯薄膜(c)和石墨烯薄膜(d)的Raman 图谱拟合曲线Fig.5Curve fitting of Raman spectra of graphite powder (a),graphite oxide (b),graphene oxide membrane (c),andgraphene membrane (d)表2石墨,氧化石墨,氧化石墨烯薄膜和石墨烯薄膜的Raman 光谱数据Table 2Raman data of graphite powder,graphite oxide,graphene oxide membrane,and graphene membrane samplesI D /I G is the integrated intensity ratio of D -band and G -band,L a is the grain size.FWHM:full width at half maximumSample graphite graphite oxidegraphene oxide membrane graphene membraneD -band peakRaman shift/cm-11351135613651364FWHM/cm-141.492.9137.2126.6G -band peakRaman shift/cm -11582158515851586FWHM/cm -119.866.693.579.4I D /I G 0.541.221.191.49L a /nm 81.4836.0736.9729.53表1石墨,氧化石墨,氧化石墨烯薄膜和石墨烯薄膜的FTIR 光谱数据Table 1FTIR data of graphite powder,graphite oxide,graphene oxide membrane,and graphene membrane samplesstretching vibration of water moleculesstretching vibration of carboxyl groups on the edges of the layer planes or conjugated carbonyl groups deformation vibration of water molecules deformation vibration of O －H stretching vibration of C －OH stretching vibration of C －Oσ/cm -1graphite powder34301634graphite oxide343017201634138012641045graphene oxide membrane 343017201634138012641045graphene membrane34301634--1045740杨勇辉等:石墨烯薄膜的制备和结构表征No.3峰向高波数移动;同时D峰和G峰谱带明显宽化,彼此重叠,由图计算出积分强度比I D/I G为1.22.氧化石墨的平均晶粒尺寸L a为36.07nm,说明在氧化剂作用下,石墨结构层内的碳碳键被破坏,致使得到的氧化石墨结构层断裂,长程有序破坏,粒径减小,与剥离的氧化石墨烯悬浮液的粒度分析和DFM分析结果相符合.从图5(b,c)的Raman光谱和表2的对比中可以看出,氧化石墨和氧化石墨烯薄膜的Raman光谱基本一致.与氧化石墨烯薄膜相比,石墨烯薄膜的Raman光谱(图5(d))中,D峰强度增大,I D/ I G继续增强,为1.49,平均晶粒尺寸L a为29.53nm.主要是由于在还原过程中,还原剂作用导致石墨烯结构层表面碳碳键断裂,致使石墨烯相对尺度L a继续减小,无序度增加,进而导致了上述的光谱特征变化.在氧化还原过程中,石墨原有的sp2结构发生很大的变化,石墨结构中碳碳键是sp2杂化成键.从FTIR光谱中可以看出,石墨经氧化后形成以sp3杂化的共价键型石墨层间化合物,主要键合羧基、环氧、羰基和羟基等含氧官能团.还原作用下,氧化石墨烯表面官能团消失,共轭π键恢复;同时,sp2结构恢复.但由于sp2杂化碳形成的π键比起sp3杂化形成的δ键更易极化,具有较大的拉曼截面,使用可见光激光激发时,π态发生共振增强,结果是即使碳结构中sp3含量很高,拉曼光谱仍由sp2信号主导.314结论样品的谱学分析与激光粒度分析和扫描探针分析相符合,揭示了石墨在氧化还原过程中分子光谱行为与样品粒径尺寸、厚度变化之间的关系.(1)石墨经氧化得到氧化石墨的过程中,产物结构层表面共轭π键破坏,以共价键形式键合大量含氧官能团;结构层厚度增加,使其晶体结构层间距增大;结构层内的碳碳键被破坏,致使得到的氧化石墨结构层断裂,长程有序破坏,粒径减小,无序度增加.(2)氧化石墨超声分散得到氧化石墨烯胶状悬浮液,在水中粒径呈拖尾峰分布,分布范围较宽,单层厚度在1.3nm左右;还原后得到的石墨烯胶状悬浮液在水中粒径呈单峰分布,分布范围窄、对称性好且平均粒径减小,厚度在1nm左右.(3)真空抽滤氧化石墨烯胶状悬浮液得到的氧化石墨烯薄膜和氧化石墨晶体结构特性相同;还原后真空抽滤石墨烯胶状悬浮液得到的石墨烯薄膜结构层表面含氧官能团量明显减少;石墨烯基面上残存的羟基易与边缘含氧基团结合,而形成絮凝体,从而形成无序堆积的石墨烯薄膜,呈非晶状态,无衍射峰出现;粒径继续减小,导致了产物无序度进一步增加.References(1)Novoselov,K.S.;Geim,A.K.;Morozov,S.V.;Jiang,D.;Zhang,Y.;Dubonos,S.V.;Grigorieva,I.V.;Firsov,A.A.Science2004,306,666.(2)Yang,Q.H.;Lü,W.;Yang,Y.G.;Wang,M.Z.New CarbonMaterials2008,23,97.[杨全红,吕伟,杨永岗,王茂章.新型炭材料,2008,23,97.](3)Gu,Z.B.;Ji,G.H.;Lu,M.H.Journal of Nanjing University 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石墨烯薄膜的制备研究石墨烯是一种由碳原子排列成的单层薄膜材料，具有高导电性、高透明度、高拉伸强度等优异的物理性质，被认为是未来纳米电子学、光学和磁学领域的重要材料之一。

本文将围绕石墨烯薄膜的制备展开讨论，主要分为以下几个部分：传统制备方法、化学气相沉积法、化学还原法和电化学法。

一、传统制备方法传统的石墨烯薄膜制备方法主要有机械剥离法和热分解法。

机械剥离法：通过机械撕裂的方式得到大面积的石墨烯单层薄膜，从而达到高质量的目的。

但是，这种方法需要大量的人力物力，而且成本也很高，限制了其在工业应用中的使用。

热分解法：采用化学气相沉积得到的石墨烯薄膜在高温条件下进行热分解，分解出大量的单层石墨烯薄膜。

但是热分解法的制备成本较高，分解过程中易产生气体和废弃物，环境影响也比较大。

二、化学气相沉积法化学气相沉积法是一种经典的制备石墨烯薄膜的方法，其主要原理是以甲烷等含碳气体为原料，在高温下使其分解生成碳原子，并在金属衬底上沉积形成石墨烯单层薄膜。

该法具有以下优点：1. 制备速度快：经过优化后，仅需几秒钟就可以制备一大片石墨烯薄膜。

2. 制备成本低：含碳气体和金属衬底成本相对较低，且可重复使用。

3. 制备的石墨烯薄膜质量高：由于该方法采用了多步处理，而且原料所需时间较短，因此其制备出的石墨烯单层薄膜质量较高。

但是，该方法也存在一定的缺陷，主要是：1. 对材料的处理技术要求较高，制备过程中需要保持高度准确的反应温度、时间、压力等参数。

2. 现有的技术仍无法完全解决石墨烯薄膜上的晶格畸变问题，由此导致的物理性质的变化仍待进一步研究。

三、化学还原法化学还原法是一种通过还原氧化石墨（GO）薄膜得到石墨烯薄膜的方法。

通常采用适当的还原剂，例如氢气、甲酸、羟丙基硫酸铵等，将GO薄膜还原为石墨烯单层薄膜。

化学还原法具有以下优点：1. 无需对材料进行特殊处理，可制备出大尺寸的石墨烯薄膜。

2. 制备成本低：原料和还原剂成本相对较低。

含量不同的石墨烯复合导电薄膜的制备与表征石墨烯是一种由碳原子形成的二维材料，具有出色的力学、光学和电学性能。

由于这些独特的性质，石墨烯在电子学、能源储存和传感器等领域中展现出了巨大的应用前景。

为了将石墨烯纳入实际应用中，制备高品质的石墨烯复合材料是非常关键的一步。

本文将介绍含量不同的石墨烯复合导电薄膜的制备与表征。

首先，制备石墨烯复合导电薄膜需要考虑选择的石墨烯和高分子材料。

石墨烯通常可以通过化学气相沉积或机械剥离等方法制备出来。

为了制备高品质的石墨烯复合材料，优选低层石墨烯单晶或由多层石墨烯组成的片状石墨烯材料是很重要的。

对于高分子材料，选择具有良好溶解性和导电性的高分子材料可以有效地提高复合薄膜的导电性能。

接下来，将石墨烯与高分子材料混合，制备出石墨烯复合导电薄膜。

制备方法可以通过浸涂、涂覆或喷涂等方法实现，这些方法不仅简单易行，而且可以快速制备大面积的薄膜。

为了获得最佳的复合效果，需要优化不同材料的比例和制备条件。

例如，在浸涂法中，选择适当浓度的石墨烯分散液和高分子材料浸涂时间、温度和气氛对薄膜质量有显著影响。

在成功制备出石墨烯复合导电薄膜后，需要对其进行详细的表征和性能测试。

常见的表征方法包括扫描电子显微镜、原子力显微镜、傅里叶变换红外光谱、拉曼光谱和X射线光电子能谱。

在性能测试方面，主要测量导电性能、透明度和力学性能。

通过这些测试，可以全面评价石墨烯复合导电薄膜的性能和应用前景。

需要指出的是，近年来，石墨烯复合导电薄膜的制备技术不断改进和发展，同时也出现了许多创新的复合方案，如石墨烯/碳纳米管、石墨烯/金属纳米颗粒等。

这些不同的石墨烯复合方案可以对复合薄膜的性能进行调控，拓宽其应用领域。

总之，石墨烯复合导电薄膜在电子器件、光伏和节能照明等领域中具有广泛应用前景。

不同的石墨烯复合方案和制备方法可以产生不同含量的复合薄膜，对其进行详细表征和性能测试，可以全面评价复合薄膜的性能和应用前景。

铜基石墨烯薄膜铜基石墨烯薄膜是一种新型的二维材料，具有很多优异的性质和应用前景。

本文将从以下几个方面对铜基石墨烯薄膜进行详细介绍。

一、铜基石墨烯薄膜的制备方法目前，制备铜基石墨烯薄膜的方法主要有化学气相沉积法、化学还原法、机械剥离法、氧化还原法等。

其中，化学气相沉积法是最常用的方法之一。

该方法通过在高温下将气态前驱体分解成碳源和金属源，并在衬底上生长出单层或多层石墨烯。

而化学还原法则是通过还原剂将氧化石墨烯还原成还原态的石墨烯。

机械剥离法则是通过机械力将大块的天然或合成的三维晶体材料剥离成单层或少层厚度的二维材料。

二、铜基石墨烯薄膜的结构和性质铜基石墨烯薄膜具有典型的二维结构，由碳原子构成六角形的晶格，每个碳原子与周围三个碳原子形成sp2杂化轨道，共享三对电子，形成强的共价键。

此外，在铜基石墨烯薄膜中，铜原子与石墨烯层之间存在一定的相互作用力，可以增强铜基石墨烯薄膜的稳定性和机械强度。

铜基石墨烯薄膜具有很多优异的性质。

首先，它具有极高的导电性和导热性。

其次，铜基石墨烯薄膜具有极高的比表面积和吸附能力，可以用于制备高效的催化剂、传感器等。

此外，铜基石墨烯薄膜还具有良好的光学和机械性能，在透明电极、柔性电路等领域也有广泛应用前景。

三、铜基石墨烯薄膜在催化剂领域中的应用由于其高比表面积、导电性和吸附能力等优异性质，铜基石墨烯薄膜在催化剂领域中有着广泛的应用。

例如，铜基石墨烯薄膜可以用于制备高效的氢化催化剂、还原催化剂等。

此外，铜基石墨烯薄膜还可以用于制备高效的电催化剂，在燃料电池、电解水等领域具有重要的应用前景。

四、铜基石墨烯薄膜在传感器领域中的应用铜基石墨烯薄膜具有极高的比表面积和吸附能力，可以将其应用于传感器领域。

例如，铜基石墨烯薄膜可以用于制备高灵敏度的气敏传感器、光学传感器等。

此外，铜基石墨烯薄膜还可以用于制备生物传感器，在医学诊断、环境监测等领域具有广泛应用前景。

五、铜基石墨烯薄膜在透明电极和柔性电路中的应用由于其良好的导电性和机械性能，铜基石墨烯薄膜可以用于制备高透明度的透明电极和柔性电路。

石墨烯薄膜的制备与性能研究石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体，具有良好的导电性、热性能和力学性能，因此具有广阔的应用前景。

然而，石墨烯的制备成本较高、工艺复杂，限制了其在工业生产中的应用。

石墨烯薄膜是一种将石墨烯制备成薄膜形式的方法，具有更低的制备成本和更强的可扩展性。

本文将介绍石墨烯薄膜制备的方法以及其性能研究的最新进展。

石墨烯薄膜的制备方法多样，包括化学气相沉积法、化学还原法、机械剥离法、溶液剥离法等。

其中，化学气相沉积法是一种将气体中的碳原子沉积到基底上形成石墨烯薄膜的方法之一。

该方法具有高温高压、制备成本高等缺点，但是制备出的石墨烯薄膜质量较高，适用于微电子器件等领域。

化学还原法是一种将石墨氧化物还原得到石墨烯薄膜的方法，该方法具有制备方便、成本低等优点，但是所制备的石墨烯薄膜质量较差，不适用于微电子器件等对品质要求较高的领域。

机械剥离法是一种利用胶带剥离石墨烯薄膜的方法，该方法制备成本极低，但是不适用于大规模制备。

溶液剥离法是一种将石墨烯氧化物通过溶液处理得到石墨烯薄膜的方法，具有成本低、制备方便等优点，但是所制备的石墨烯薄膜质量不稳定，需要进一步提高。

除了制备方法之外，石墨烯薄膜的质量也受到许多因素的影响，包括基底的选择、溶液的浓度、剥离温度等。

一些研究人员针对这些因素进行了探究，并取得了一些有意义的成果。

例如，Gao等人报道了一种利用金属钴作为基底的方法制备石墨烯薄膜，并且在掺杂铬、铁等杂原子的情况下，实现了传感器等器件对氨气的高灵敏检测。

Liang等人则使用了水热法制备石墨烯薄膜，并在电极材料的应用上取得了一些有意义的研究成果。

石墨烯薄膜不仅在微电子器件的应用上具有广泛的应用前景，它的特殊的性能也为其在能源领域、化学催化等领域提供了新的研究方向。

例如，在能源领域，石墨烯薄膜可以作为电池和超级电容器的电极材料，具有高电容、高导电性等特点。

在化学催化领域，石墨烯薄膜可以作为催化剂，其特殊的二维结构和高表面积能够降低活化能，提高催化活性。