氧化石墨烯的制备及其还原条件的探究开题报告

全文总字数：6058字

1. 研究目的与意义（文献综述）

随着材料科学的不断发展，在电子信息、生物工程、医药科学、环境保护等领域，部分传统材料因其结构和性能无法满足当今高新技术的需求，导致越来越多的研究者倾向于新型材料的探索与研究。由于石墨烯优异的物理及化学性能，自从其被发现后一直引起着研究者们巨大的关注。它在室温下的载流子迁移率可以高达2×10⁵ m²·v^-1·s，因此石墨烯通常被看做事下一代电子材料的首推候选者，被认为在场效应晶体管、传感器、纳米材料、超级电容器及透明电极材料方面将会有重要的应用。此外，石墨烯因其二维晶型空间构造十分独特，而拥有非凡的电学特性、光学特性和力学特性等。

目前制备石墨烯主要使用的方法有机械剥离法、化学气相沉积法、外延生长法和化学氧化还原法等，其中广泛用于实验研究的是化学氧化还原法。该方法主体分为两步：首先，在强酸性环境下加入高锰酸钾等强氧化剂将石墨氧化，在其边缘和表面插入了大量的含氧基团，然后用还原剂还原得到石墨烯，即为还原氧化石墨烯。

本课题采用hummers法大批量制备氧化石墨烯，hummers法的特点是在硫酸中加入硝酸钠、高锰酸钾来氧化石墨片，由于高锰酸钾在硫酸中转而成的七价锰化合物的高氧化性，有效缩短了反应时间至几个小时。hummers法有安全系数高（不产生易爆的clo₂）,反应时间短，氧化效果好等优势。但此方法仍旧存在着由于硝酸钠的使用带来的生产no₂/n₂o₄以及后续废液中残余na 和no₃^-的问题。2010年，rice大学的tour课题组提出了一种将硝酸钠去掉，加入更多的硫酸、高锰酸钾并在氧化液体系中引入磷酸的方法制备氧化石墨，其优点是转化率更高，结构完整性更好。但其仍有氧化反应时间长，化学氧化剂和酸用量过大，废液难处理，磷化合物引起水体富营养化等问题。近年来，国内以tour法制备go为基础，提出一种更为安全并且更为效率的go制备方法。向反应体系中加入较大量的水，避免了tour法中易爆炸分解的mn₂o₇的生成，提高制备过程的安全性。研究者发现在浓h₃po₄的存在下，体系酸性下降，同时会生成锰离子为 3价的磷酸锰盐（mnpo₄·h₂o）不溶物而非锰离子为 2价的硫酸锰（mnso₄），影响了高锰酸钾（kmno₄）的氧化效率，因此摒弃了浓h₃po₄的使用，提高了kmno₄的氧化效率和氧化石墨烯的收率。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备：利用hummers法制备氧化石墨烯（go）.再利用还原剂还原法对其进行还原得还原氧化石墨烯（rgo）.

材料表征：利用相关设备对go和rgo进行表征.测试方法包括红外光谱分析、激光拉曼光谱分析、紫外光谱分析、x射线衍射分析（xrd）、x射线光电子能谱图分析（xps）、扫描电镜测试（sem）、四探针法测试等.

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4-9周：按照设计方案，通过hummers法探索制备氧化石墨烯的配方，通过相应的测试数据，探究其性能。

第10-12周：对所制备的氧化石墨烯进行还原，探究还原条件的改变对石墨烯导电率的影响。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]water-enhanced oxidation of graphite to graphene oxide with controlled species of oxygenated groups[j]. chemical science, 2016, 7.

[2]water-enhanced oxidation of graphite to graphene oxide with controlled species of oxygenated groupselectronic supplementary information (esi) available. see doi:10.1039/c5sc03828f[j]. chemical science, 2016, 7(3):1874-1881.

[3]tegou e ,pseiropoulos g ,filippidou m k , et al. low-temperature thermal reduction of graphene oxide films in ambient atmosphere: infra-red spectroscopic studies and gas sensing applications[j]. microelectronic engineering, 2016:s0167931716301423.