溶液法制备Graphene

液相剥离石墨制备石墨烯∗刘先军;崔宝臣;刘淑芝;马庆;王宝辉【摘要】Graphene with unique properties and wide potential applications has received considerable attention in recent years.Material preparation is the study of its performance and to explore its application premise and foundation.Liquid-phase exfoliation graphite is one of the most potentially up-scalable motheds for the bulk production of graphene.Here,we introduce the current development present situation and the existing problems of preparation of grapheme by directly liquid-phase exfoliation of original graphite.Particularly,we focus on or-ganic solvents assisted exfoliation and surfactant assisted exfoliation two maj or classes successful liquid-phase exfoliation methods,to provide references for the successful production of high quality graphene by means of liquid-phase exfoliation of graphite.%石墨烯具有独特的性质和广泛的潜在应用前景，近年来受到广泛的关注。

石墨烯的氧化还原法制备及结构表征近年来，石墨烯受到了越来越多的关注，它被认为是一种具有优异性能的二维纳米材料，可以用于电子学、光学学和材料学等多个领域。

石墨烯的制备技术是研究石墨烯特性的基础，氧化还原法是最近几年广泛研究的制备方法之一。

氧化还原法是一种以氧化物为原料，经过高温氧化和还原步骤而得到的石墨烯材料。

在此方法中，以催化剂石墨烯母体（Graphene Oxide，GO）作为原料，然后通过高温的氧化和还原步骤，GO发生氧化和还原反应，使其形成石墨烯（Graphene，G）。

首先，GO必须通过电性溶液（例如，高温氨水）形成超细粉末（粒径小于100 nm），以增加其表面积，并便于进一步处理。

然后，将高温氨水处理的粉末经过一系列的氧化还原反应，最终形成石墨烯，其中包括进行高温氧化（150～200）、还原（250～350）以及石墨化（500～600）等步骤。

石墨烯在结构上具有平板形式，其构成单位只有一个原子，并具有良好的导电性和透明性。

氧化还原方法得到的石墨烯具有良好的均匀性，大部分石墨烯片段为单层和双层，且具有良好的相容性，能够持久稳定存在。

为了表征经过氧化还原法制备的石墨烯的结构，常用的表征技术包括X射线衍射（XRD）、旋转反射显微镜（Raman）和扫描电子显微镜（SEM）等。

其中，X射线衍射（XRD）可用于判断石墨烯的形貌、尺寸和结构等性质，其特征谱即X射线可以提供石墨烯的结构特征。

旋转反射显微镜（Raman）是研究石墨烯结构最为常用的技术之一，也是衡量石墨烯结构质量的重要方法，它能够对石墨烯的厚度、层数、热性质和几何结构进行表征。

最后，扫描电子显微镜（SEM）可以得到石墨烯的粒径、形貌和区域分布等特征，从而对石墨烯的表面形貌进行表征。

综上所述，氧化还原法是最近广泛研究的石墨烯制备技术之一，其具有良好的均匀性和稳定性，对石墨烯的表征技术可以提供结构特征。

X射线衍射（XRD）、旋转反射显微镜（Raman）和扫描电子显微镜（SEM）等可以检测出氧化还原法制备的石墨烯的结构特性，因此，这种制备方法将会成为石墨烯的发展的重要推动力。

二维纳米材料范文二维纳米材料（two-dimensional nanomaterials）是一类具有二维特性的纳米材料，具有出色的性能和广泛的应用潜力。

它们由只有几十个原子乃至一个原子厚的单层材料组成，具有高度可调控性和可扩展性。

这一类材料在材料科学、纳米技术和电子器件等领域受到了广泛的关注。

二维纳米材料的最典型代表是石墨烯（graphene），它是由碳原子构成的单层二维结构，具有出色的导电性和机械性能。

石墨烯不仅具有高电导率，还具有优异的热导率、机械强度和柔韧性。

因此，它在电子器件、能源储存、传感器、透明导电薄膜等领域有着广泛的应用。

此外，二维纳米材料还包括二硫化钼（molybdenum disulfide）、二硫化钨（tungsten disulfide）等过渡金属二硫化物材料。

这些材料具有优异的光学和电子特性，可用于光电器件、催化剂、传感器等领域。

二维纳米材料的制备方法主要有机械剥离、化学气相沉积、溶液法、热剥离等。

其中，机械剥离是最早的制备方法，通过用胶带对固体材料进行多次剥离得到单层材料。

化学气相沉积则是通过在高温下，以特定化合物为前驱体，在衬底上进行化学反应制备出二维纳米材料。

溶液法则通过将材料分散到溶液中，然后在衬底上进行沉积和转移得到二维纳米材料。

然而，二维纳米材料也面临一些挑战。

首先，二维纳米材料的制备需要高度精确的控制条件，如温度、压力和浓度等。

其次，由于材料的表面积大幅缩小，其稳定性和可靠性仍然是一个挑战。

此外，二维纳米材料的大规模制备和集成技术也需要进一步研究和发展。

综上所述，二维纳米材料作为一类新兴的纳米材料，具有出色的性能和广泛的应用潜力。

通过研究和开发这些材料，将有助于开拓新的领域和应用，推动纳米技术的进一步发展。

二硫化钼—石墨烯异质结的制备与研究一、本文概述本文主要关注二硫化钼—石墨烯异质结的制备与研究。

我们将详细介绍这种异质结的结构特性，制备方法，以及其在不同领域中的应用前景。

我们将首先概述二硫化钼和石墨烯的基本性质，包括它们的电子结构、物理和化学性质，以及它们在纳米材料和电子器件中的应用。

然后，我们将详细讨论如何将这两种材料结合形成异质结，并探索其独特的物理和化学性质。

我们还将探讨二硫化钼—石墨烯异质结在电子器件、能源转换和存储、传感器以及催化剂等领域中的潜在应用。

我们将总结目前的研究进展，并展望未来的研究方向。

通过本文的阐述，我们希望能够为二硫化钼—石墨烯异质结的研究和应用提供有益的参考和指导。

二、二硫化钼—石墨烯异质结的制备方法二硫化钼—石墨烯异质结的制备是材料科学领域的一个研究热点，其独特的结构和性质使得这种异质结在电子器件、能源存储和催化等领域具有广阔的应用前景。

本文介绍了几种常见的制备方法，包括化学气相沉积法、溶液法和物理气相沉积法等。

化学气相沉积法（CVD）是一种常用的制备二硫化钼—石墨烯异质结的方法。

该方法通过在高温条件下，利用气体中的前驱体分子在催化剂表面发生化学反应，从而生长出所需的异质结材料。

通过精确控制反应条件和催化剂的选择，可以实现大面积、高质量的二硫化钼—石墨烯异质结的制备。

溶液法是一种相对简单的制备异质结的方法，主要利用溶液中的前驱体分子通过化学反应或自组装过程生成异质结。

该方法可以在较低的温度下进行，且易于实现规模化生产。

然而，溶液法可能面临制备过程中杂质引入和结晶度控制等问题。

物理气相沉积法（PVD）则是一种通过物理过程如蒸发、溅射等将二硫化钼和石墨烯材料沉积到基底上制备异质结的方法。

这种方法可以精确控制材料的组成和结构，但设备成本较高，且制备过程相对复杂。

在制备二硫化钼—石墨烯异质结时，还需要考虑异质结界面工程的问题。

通过调控界面结构和性质，可以进一步优化异质结的性能。

目录摘要 (I)Abstract ......................................................................................................................... I I 1 引言 (1)1.1 石墨烯的制备 (2)1.1.1 机械剥离法 (2)1.1.2 电化学剥离法 (2)1.1.3 化学气相沉积法 (3)1.2 石墨烯电极材料的制备 (5)1.3 石墨烯电极材料电化学性能测试 (5)2 实验部分 (6)2.1 实验试剂 (6)2.2 实验仪器 (6)2.3 RHAC和GQDs的制备 (6)2.4 RHAC-GQDs的制备 (6)2.5 电极制备和电池组装 (7)3 结果和讨论 (8)3.1 分析了RHAC的比表面积和孔隙结构 (8)3.2 GQDs的拉曼光谱和荧光光谱分析 (8)3.3 红外光谱分析 (8)3.4 XRD分析 (8)3.5 扫描电镜分析 (9)3.6 循环伏安法测试分析 (9)3.7 恒流充放电试验分析 (9)3.8 电化学阻抗分析 (10)4 结论与展望 (12)4.1 结论 (12)4.2 主要创新点 (12)4.3 展望 (12)参考文献 (13)致谢............................................................................................ 错误!未定义书签。

摘要石墨烯由于其十分优异的电学、热学和机械性能及优良的透光率、比表面积大等优势而广泛的受到人们追捧。

尤其是在2004年成功制得稳定存在的石墨烯之后，更是兴起了一股研究石墨烯的潮流。

如何成本低廉、面积大、数量丰富、质量优异的制备石墨烯，并将其应用在实际生产中是研究人员努力的目标。

本文主要对这几年中一些改善的或新的石墨烯的制备方法以及其电化学性能做了综述，从中可以看到石墨烯在电学方面存在巨大的发展潜力。

液相法制备石墨烯摘要近年来, 石墨烯以其独特的结构和优异的性能, 在化学、物理和材料学界引起了广泛的研究兴趣。

石墨烯是一种二维单元子层厚度的晶体，其碳原子呈蜂窝状晶格排布，并在单原子层厚度上集合了优异的电学、机械、光学与热学性质。

目前人们已经在石墨烯的制备方面取得了积极的进展, 为石墨烯的基础研究和应用开发提供了原料保障。

现有的石墨烯的制备方法有微机械剥离法、化学气相沉积法、液相或气相直接剥离法、晶体外延生长法﹑氧化-还原法等，但大规模高质量制备技术仍然是制约其进入实际应用的瓶颈之一。

本文采用液相直接剥离石墨来制备石墨烯，按照正交试验设计方案，通过多次实验，改变石墨与溶剂的配比、超声时间、超声功率等，使得石墨剥离充分，通过适当时间的高速离心得到分散较好的石墨烯分散液。

再选用不同的溶剂同样对石墨进行剥离得到石墨烯分散液。

实验结果表明使用二甲基甲酰胺(DMF)作为溶剂剥离石墨,当浓度配比在0.14mg/ml，超声时间在9小时时效果最好，丁达尔效应表明分散液分散效果良好, 紫外光谱(UV)结果分析得出DMF剥离石墨没有引入其他官能团，利用扫描电子显微镜(SEM)得出微观图，得到低于五层的石墨烯。

与其他石墨烯制备方法相比，本论文所采用的液相直接剥离法制备石墨烯具有仪器设备简单、原材料便宜易得、液相体系便于材料加工成型等优点。

直接利用数控超声机对放有石墨的溶剂进行超声剥离，不涉及化学变化从而得到的样品质量高。

关键词：石墨烯，液相剥离，正交试验设计Graphene by Liquid Phase-based ExfoliationABSTRACTGraphene has attracted much interest in recent years due to its unique and outstanding properties. Graphene is a two-dimensional crystal with atomic thickness, whose atoms are arranged in a honey comb lattic. Different routes to prepare graphene have been developed and achieved. Preparation methods of graphene used in recent years are intensively introduced, including micromechanical cleavage, chemical vapor deposition, liquid/gas phase-based exfoliation of graphite, epitaxial growth on an insulator, chemical reduction of exfoliated graphene oxide, etc. But large high quality preparation technology is still restrict the bottleneck of entered actual application.In this paper, liquid phase-based exfoliation of graphite method was used to fabricate graphene. By controlling the graphite and solvent ratio, the ultrasonic time, ultrasonic power according to orthogonal test design. Make graphite stripping fully, and at the same time through proper time of high-speed centrifugal get spread good graphene dispersed, and then choose different solvents of graphite and on the same stripped of graphene to dispersed. The experimental shown that when using DMF as solvent stripping graphite, it brought the best results when the ultrasonic time is nine hours and the concentration ratio is 0.14mg/ml. Then Tyndall effect shown that the dispersion liquid had a good dispersion effect Ultraviolet spectroscopy (UV) analysis of the results obtained that other functional groups were not introduced in DMF stripped graphite.Finally, the Graphene less than five layers could be observed in the microgram obtained by scanning electron microscopy (SEM)In comparison with other methods, liquid phase-based exfoliation of graphite method in preparation of grapheme has advantages that the devices required are simple, raw materials are cheap and easy to get, liquid-phase state is easy to be further processed and suitable for mass production. Numerical control ultrasonic machine using directly to a solvent with graphite for ultrasound dissection, not only simple operation, but also very safe.KEY WORDS: graphene, liquid phase-based exfoliation, orthogonal experimental design目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1绪论 (1)1.1课题的背景及研究意义 (1)1.2石墨烯的发现及发展现状 (2)1.3石墨烯的研究发展前景 (4)1.4本文的框架及安排 (4)2 石墨烯的性质、制备、表征及应用 (6)2.1 石墨烯的结构及性质 (6)2.1.1 石墨烯的结构 (6)2.1.2电学性质 (7)2.1.3 非电学特性 (8)2.1.4 化学性质 (9)2.2 石墨烯的制备方法 (9)2.2.1 微机械剥离法 (9)2.2.2 液相或气相直接剥离法 (10)2.2.3 化学气相沉积法（CVD） (11)2.2.4 晶体外延生长法(SiC 高温退火) (11)2.2.5 氧化−还原法(含氧化−修饰−还原法) (11)2.2.6 其他方法 (13)2.3 石墨烯的表征方法 (13)2.3.1透射电子显微镜（transmission electron microscopy） (13)2.3.2 原子力显微镜（atomic force microscopy） (13)2.3.3 拉曼光谱(Raman spectra) (14)2.3.4 紫外光谱（UV） (14)2.3.5 其他表征方法 (15)2.4石墨烯的应用领域 (15)2.4.1 可做“太空电梯”缆线 (15)2.4.2 代替硅生产电子产品 (15)2.4.3 传感器 (16)2.4.4 触摸面板 (16)2.4.5 太阳能电池 (17)2.4.6 其他应用 (17)IV3 正交试验设计 (18)3.1 正交试验设计的概念 (18)3.2 正交试验的意义 (18)3.3 正交表及其基本性质 (20)3.4 正交试验的设计过程 (20)3.5 正交试验的结果分析 (20)3.5.1 极差分析 (20)3.5.2 较优条件选择 (21)3.5.3 正交试验分析方法 (21)4 石墨烯的制备及表征 (22)4.1 石墨烯的制备 (22)4.1.1 胆酸钠作为溶剂制备 (22)4.1.2 DMF作为溶剂制备 (25)4.1.3 改进制备 (26)4.2 表征结果分析 (27)4.2.1 表征所用到的仪器 (27)4.2.2 丁达尔效应 (27)4.2.3 紫外光谱分析 (28)4.2.4 扫描电子显微分析 (29)5.1 本文总结 (34)5.2 展望 (34)致谢 (35)参考文献 (36)液相法制备石墨烯 11绪论1.1课题的背景及研究意义碳是最重要的元素之一，它有着独特的性质，是所有地球生命的基础。

电化学沉积石墨烯**电化学沉积石墨烯****引言：**电化学沉积石墨烯（Electrochemical Deposition of Graphene）是一种先进的石墨烯合成技术，通过在电解质溶液中引入石墨前体材料并应用电流，实现了对石墨烯的精确控制和高效制备。

这一方法结合了电化学和材料科学的优势，为制备高质量、可控性强的石墨烯提供了新的途径。

本文将深入探讨电化学沉积石墨烯的原理、工艺条件、应用领域以及未来发展方向。

**一、原理及机制：**电化学沉积石墨烯的原理基于电化学反应，其中电流通过电解质溶液中的石墨前体材料引发还原反应，使得石墨烯在电极表面逐层生长。

这一过程可以通过调节电流密度、电解质浓度、反应时间等参数，实现对石墨烯质量和结构的精确控制。

主要的电化学反应包括还原石墨烯氧化物、还原石墨烯氟化物等，具体机制则因前体材料的不同而异。

**二、工艺条件：**电化学沉积石墨烯的工艺条件是确保高质量石墨烯合成的关键因素。

首先，选择合适的电解质溶液是至关重要的，通常采用的溶液包括含有还原剂的水溶液。

其次，精确调控电流密度，以控制石墨烯的生长速率和结构。

此外，控制反应温度、时间以及电极材料的选择也对石墨烯的质量和性能有着重要影响。

**三、应用领域：**电化学沉积石墨烯在各个领域都有广泛的应用。

在电子器件方面，石墨烯的优异导电性能使其成为高性能电极材料的理想选择，例如超级电容器、锂离子电池等。

在传感器领域，石墨烯的高比表面积和化学稳定性使其成为敏感元素，用于制备高灵敏度的传感器。

此外，石墨烯在催化、光电子学、生物医学等领域的应用也备受关注。

**四、挑战与展望：**尽管电化学沉积石墨烯在许多领域展现出巨大潜力，但仍然面临一些挑战。

其中包括提高合成效率、降低成本、改善材料的一致性等问题。

未来的发展方向可能涉及新型电解质溶液的设计、先进的电化学反应机理研究以及更智能化的工艺控制手段。

随着技术的不断进步，电化学沉积石墨烯有望在更多领域展现其独特价值。

石墨烯的制备及转移简介石墨烯的制备方法可分为固相法、液相法和气相法(图1)。

图1石墨烯的制备(a—c)固相法：(a)机械剥离法；(b)SiC上外延生长；(c)等离子体刻蚀打开CNTs获得石墨烯纳米条带；(d—f)溶液法：(d)液相剥离获得氧化石墨烯片；(e)通过热AFM针尖和激光还原GO；(f)单体组装获得不同形貌的GNRs；(g)CVD装置示意图；(h)CVD生长机制：甲烷裂解产生碳；Ni基底溶解和析出碳(左)，铜基底吸附碳(右)；石墨烯的后续生长1、固相法固相法包括机械剥离法和SiC外延法。

胶带机械剥离高定向热解石墨(图1(a))可以获得高质量石墨烯，该方法效率低且成本高。

在单晶SiC上通过真空石墨化外延生长可获得石墨烯(图1(b))。

所获得的外延石墨烯质量高、层数可控，可制备大尺寸的石墨烯，但由于高反应温度和SiC材料的高成本，SiC外延生长石墨烯成本很高，并且无论从产物质量上还是晶粒尺寸上都略逊于机械剥离法获得的石墨烯。

2、液相法氧化还原法是一种常见的液相法制备石墨烯材料的方法，该方法成本低、产量高，但产物有缺陷。

石墨烯衍生材料如氧化石墨烯(graphene oxide，GO)常用液相法制备。

液相法制备的GO溶液在水中可完全分散从而获得几乎独立存在的GO层片的悬浮液(图1(d))。

GO溶液可在多种表面上沉积成膜，还原可得到还原氧化石墨烯(rGO)薄膜。

除使用还原剂外，GO在惰性气体中加热、催化剂辅助光照或高温作用、电还原等也可以还原。

原子力显微镜(AFM)的热针尖、激光束和脉冲微波可以实现精细的局部GO还原(图1(e))。

通过加热AFM探针进行热化学纳米光刻可以获得纳米尺度图样化的rGO，不会造成探针的磨损和样品的破损。

rGO图样的宽度可控制在12—20μm。

激光辐照还原也可以实现rGO图样化。

热探针还原和激光还原GO具有可靠、清洁、快速、易操作的优点。

3、气相法石墨烯应用于电子器件的先决条件是获得高质量、大面积的石墨烯，无论液相法还是机械剥离法都很难获得。

石墨烯1、石墨烯的物理性质石墨烯（Graphene），又称单层石墨，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。

石墨烯（Graphene）是由单层的碳原子紧密排列成二维的蜂巢状六角格子的一种物质。

和金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管还有无定形碳一样，它是一种单纯由碳元素构成的物质（单质）。

如下图1所示，富勒烯和碳纳米管都可以看成是由单层的石墨烯依照某种方式卷成的，而石墨正是由很多层石墨烯堆叠成的。

利用石墨烯来描述各种碳单质（石墨、碳纳米管和石墨烯）性质的理论研究持续了近六十年，但是普遍认为这样的二维材料是难以稳定地单独存在的，只有依附在三维的衬底表面或者在像石墨那些的物质内部。

直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，关于石墨烯的研究才获得了新的发展。

两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光"；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。

因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。

由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。

石墨烯石墨烯晶体图1 富勒烯（左）和碳纳米管（中）都可以看作是由单层的石墨烯通过某种方式卷成的，而石墨（右）是由多层石墨烯通过范德华力的联系堆叠成的。

氧化石墨烯的制备及其在催化剂中的应用近年来，石墨烯（Graphene）作为一种具有很高热导和电导率的二维材料，受到了广泛的关注。

石墨烯的制备和应用也成为了研究领域中的热门话题。

而氧化石墨烯（Graphene oxide, GO）则是石墨烯在经过氧化后的产物，其具有良好的可分散性、生物相容性和化学变性等特性。

本文将主要介绍氧化石墨烯的制备方法及其在催化剂中的应用。

一、氧化石墨烯的制备氧化石墨烯的制备方法有许多，常见的有Hummer法、Brodie法、Staudenmaier法和Graf法等。

其中Hummer法是目前应用最广泛的一种方法，其主要步骤如下：1.将天然石墨粉末加入浓硫酸中，搅拌并保持反应温度不变；2.将硝酸缓慢加入并继续搅拌反应；3.加入漂白粉（NaClO），反应溶液发生放热和气体释放，反应达到最高点后，停止加入漂白粉；4.用稀硝酸稀释反应溶液，获得氧化石墨烯。

Hummer法制备出的氧化石墨烯为多层，其表面含有氧化官能团（如羟基、羧基和酮基等），使其具有一定的亲水性和分散性，而少量氧化石墨烯则会形成单层和几层薄片。

二、氧化石墨烯在催化剂中的应用氧化石墨烯在催化剂领域的应用主要通过其独特的表面化学性质和高的比表面积实现。

其高比表面积和大量的含氧官能团，使其在吸附、催化和反应的表面反应中发挥着重要的作用，并能够促进化学反应的进行。

1. 氧化石墨烯的载体作用氧化石墨烯在催化剂领域的一种重要应用是载体作用。

实验中人们常将铂/氧化石墨烯复合材料（Pt/GO）作为电催化剂，GO的高比表面积和良好的可分散性使得Pt催化剂能够被均匀地散布在GO表面上，并能够最大限度地暴露Pt的活性位点，从而提高电催化剂的效率。

2. 氧化石墨烯的催化反应活性氧化石墨烯的大量含氧官能团能够与反应物发生特定的化学反应，从而提高催化剂的反应性能。

以铈离子（Ce）和氧化石墨烯为材料，制成Ce/GO催化剂，在催化氧化反应中显示出优异的催化活性，其高活性主要得益于铈离子与氧化石墨烯表面含氧官能团的强烈相互作用。