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PDF电子书下载

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 低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

3.7.1 XRD特征 74

3.7.2 FT-IR光谱特征 74

3.7.3 Raman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

4.2 pH对氧化石墨烯分散性和Zeta电位的影响 86

4.2.1 分散性 86

4.2.2 Zeta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

4.3.2 AFM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方法 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

5.2.2 Zeta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征 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

5.4.4 Raman光谱特征 132

5.4.5 FT-IR光谱特征 132

5.4.6 XPS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 134

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 142

6.1.1 紧束缚近似法 142

6.1.2 第一性原理计算法 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 缺陷型石墨烯电子结构 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 168

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 不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 TiO2／还原氧化石墨烯纳米复合物的制备、表征与气敏性能 223

9.1 TiO2／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

9.1.1 TiO2／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

9.2 TiO2／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

9.2.2 Ti（OH）4／氧化石墨烯纳米复合物焙烧过程中的结构变化 226

9.2.3 TiO2／还原氧化石墨烯纳米复合物的微观形貌 227

9.2.4 TiO2／还原氧化石墨烯纳米复合物官能团变化 229

9.2.5 TiO2／还原氧化石墨烯纳米复合物的成键特点 229

9.2.6 TiO2／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

9.3 TiO2／还原氧化石墨烯纳米复合物的阻温特性 231

9.4 TiO2／还原氧化石墨烯纳米复合物的湿敏性能 233

9.5 TiO2／还原氧化石墨烯纳米复合物的乙醇敏感性能 235

9.6 TiO2／还原氧化石墨烯纳米复合物的氨气敏感性能 236

9.7 TiO2／还原氧化石墨烯纳米复合物的敏感机理 238

9.7.1 TiO2／还原氧化石墨烯纳米复合物的吸附机理 238

9.7.2 TiO2／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

10.2.1 CnTAB插层氧化石墨的结构变化 249

10.2.2 CnTAB插层氧化石墨的FT-IR光谱分析 251

10.2.3 CnTAB插层氧化石墨的Raman光谱 252

10.2.4 CnTAB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表征 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

10.4.1 PPD接枝还原氧化石墨烯的结构 259

10.4.2 PPD接枝石墨烯的FT-IR光谱 260

10.4.3 PPD接枝还原氧化石墨烯的Raman光谱 261

10.4.4 PPD接枝还原氧化石墨烯的XPS 264

10.4.5 PPD接枝还原氧化石墨烯的有机分散性 265

10.4.6 PPD接枝还原氧化石墨烯的热稳定性 266

10.4.7 PPD接枝还原氧化石墨烯的电导率 267

10.4.8 PPD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 聚苯胺／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 271

11.1.2 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

11.2.1 PANI/GOs纳米复合物的结构变化 277

11.2.2 PANI/GOs纳米复合物的形貌 278

11.2.3 PANI/GOs纳米复合物的FT-IR光谱 280

11.2.4 PANI/GOs纳米复合物的Raman光谱 281

11.2.5 PANI/GOs纳米复合物的电学性能 282

11.2.6 PANI/GOs纳米复合物的电化学性能 284

11.2.7 PANI/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

11.3.1 PANI/Gs纳米复合物的结构变化 286

11.3.2 PANI/Gs纳米复合物的形貌变化 287

11.3.3 PANI/Gs纳米复合物的FT-IR光谱分析 288

11.3.4 PANI/Gs纳米复合物的Raman光谱分析 289

11.3.5 PANI/Gs纳米复合物的电学性能 289

11.3.6 PANI/Gs纳米复合物的电化学性能 291

11.3.7 PANI/Gs纳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／聚苯胺复合材料的制备及超级电容性能 296

12.1 三维还原氧化石墨烯／聚苯胺复合材料的制备技术及表征方法 297

12.1.1 三维还原氧化石墨烯／聚苯胺复合材料的制备——一步复合法 297

12.1.2 三维还原氧化石墨烯／聚苯胺复合材料的制备——两步复合法 297

12.1.3 工作电极的制备 298

12.1.4 表征方法 298

12.2 聚苯胺与三维还原氧化石墨烯的超级电容性能 299

12.2.1 聚苯胺的超级电容性能 299

12.2.2 三维还原氧化石墨烯的超级电容性能 300

12.3 三维还原氧化石墨烯／聚苯胺复合材料的形貌、结构与超级电容性能——一步复合法（A） 304

12.3.1 形貌特征 304

12.3.2 结构特征 307

12.3.3 谱学特征 308

12.3.4 超级电容性能 309

12.3.5 一步复合法制备三维还原氧化石墨烯／聚苯胺复合材料的机理分析 315

12.4 三维还原氧化石墨烯／聚苯胺复合材料的形貌、结构与超级电容性能——两步复合法（B） 316

12.4.1 形貌特征 316

12.4.2 结构特征 318

12.4.3 谱学特征 319

12.4.4 超级电容性能 320

12.4.5 两步复合法制备三维还原氧化石墨烯／聚苯胺复合材料的机理分析 327

12.5 小结 327

索引 332

附录 339