不同成因石墨的晶體化學(xué)特征及對(duì)石墨烯的影響.pdf

1、基于我國石墨礦產(chǎn)資源豐富，礦石種類齊全，產(chǎn)出有晶質(zhì)和微晶兩種，且石墨可作為規(guī)模化制備石墨烯的天然原料，本論文以研究不同地質(zhì)成因石墨的礦物學(xué)特征為基礎(chǔ)，通過氧化-還原法制得還原氧化石墨烯（簡(jiǎn)稱石墨烯），系統(tǒng)地研究了不同成因石墨的晶體化學(xué)特征及其對(duì)氧化-熱剝離還原過程中結(jié)構(gòu)及性能變化的影響規(guī)律，對(duì)實(shí)現(xiàn)石墨烯產(chǎn)業(yè)化的原料選擇及應(yīng)用具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。
　　對(duì)我國典型石墨礦山石墨礦物的礦物學(xué)特征研究表明，我國產(chǎn)出石墨主要為2H型

2、石墨，同時(shí)不同程度地含有3R型多型；晶質(zhì)與微晶石墨的石墨化度均較高，在后期的地質(zhì)作用或人工加工改造過程中，可產(chǎn)生由機(jī)械作用引入的次生缺陷，進(jìn)而引入O元素，且晶胞體積隨晶體結(jié)構(gòu)中O元素含量的增加而增大。由于其片徑的差異導(dǎo)致前者的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、可浮性與導(dǎo)電性均優(yōu)于后者。
　　在對(duì)石墨礦物學(xué)特征研究的基礎(chǔ)上，選用典型晶質(zhì)和微晶石墨樣品為原料，采用改進(jìn)Hummers法制得不同成因石墨的系列氧化石墨，然后采用熱剝離還原氧化石墨制得石墨烯。通過

3、多種分析表征手段，研究了不同成因石墨在氧化-熱剝離還原制備石墨烯過程中的屬性變化過程。結(jié)果表明，在氧化-熱剝離還原過程中，兩種類型石墨結(jié)構(gòu)屬性的變化規(guī)律基本一致，制備的石墨烯均為輕質(zhì)、多孔、高比表面積的多層石墨烯堆疊聚集體材料。在相同的條件下，微晶石墨氧化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)有序度、導(dǎo)電性均始終低于晶質(zhì)石墨的氧化產(chǎn)物；微晶石墨具有較高的反應(yīng)活性，比晶質(zhì)石墨更容易被氧化和被還原；微晶石墨比晶質(zhì)石墨氧化后含有更多的COOH、C-OH和更少的C-O-C

4、，且微晶氧化石墨可剝離性較差，制備氧化石墨烯的產(chǎn)率較低。氧化石墨烯片徑尺寸減小倍數(shù)與晶質(zhì)石墨平均尺寸呈正比關(guān)系，且隨著晶質(zhì)石墨原樣粒度增大，氧化石墨烯的產(chǎn)率逐漸下降。隨著石墨氧化程度增加，結(jié)構(gòu)無序度、含氧官能團(tuán)與制備氧化石墨烯產(chǎn)率逐漸增高（多），π體系共軛程度與導(dǎo)電性逐漸降低；熱剝離還原后膨脹容積、結(jié)構(gòu)無序度逐漸增大，石墨烯堆疊層間距、電阻率逐漸減??；隨著還原程度升高，石墨烯堆疊層間距、含氧官能團(tuán)與電阻率逐漸減小（少），結(jié)構(gòu)無序度逐漸增

5、高。
　　采用循環(huán)伏安、恒流充放電和電化學(xué)阻抗譜測(cè)試手段對(duì)不同成因石墨制備的石墨烯材料的超級(jí)電容性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，晶質(zhì)與微晶石墨制備的石墨烯材料均表現(xiàn)為較好的雙電層電容特性。提高石墨氧化程度有助于提高其還原后的比電容，但較高的氧化程度會(huì)導(dǎo)致還原的石墨烯材料的導(dǎo)電性變差。在相同的氧化條件下，提高熱剝離還原溫度可增加石墨烯材料的循環(huán)穩(wěn)定性，但比電容隨溫度先增高至最大值后呈下降趨勢(shì)。以晶質(zhì)石墨為原料制備的石墨烯材料的超級(jí)電容性能