氧化程度对氧化石墨烯a-b轴结构及电学性能的影响

采用改进的Hummers法及超声分散等后续处理制备不同氧化程度的氧化石墨烯样品.用XPS、XRD、AFM、UV-Vis及四探针测试仪对样品官能团变化规律、结构、形貌特征以及电学性能进行表征分析.结果表明,氧化石墨烯在超声波的作用下水相条件下可达单层分散,单层氧化石墨烯厚度约为1.4 nm:成膜过程中,在氢键力的作用下氧化石墨烯片层c轴重叠形成层状凝聚体,结构有序度较好;随氧化剂(KMnO₄)用量增加,碳层平面上含氧官能团含量持续增加,特别是羟基官能团(C-OH)含量的增加,使a-b轴方向最大底面间距(d₁₀₀和d₁₁₀)一直增大,直至KMnO₄用量达4.0 g时,部分C-OH水解,导致d₁₀₀与d₁₁₀略有减小;碳层平面上含氧官能团尤其是环氧官能团(C-O-C)含量的增加,使样品带隙宽度逐渐增大,导电性能越来越差.     

不同氧化程度氧化石墨烯的制备及湿敏性能研究

基于氧化石墨烯具有多种含氧官能团和极大的比表面积,研究了不同氧化程度氧化石墨烯的湿敏性能。采用改进的Hummers法制备不同氧化程度的氧化石墨,经过超声分散制备氧化石墨烯水相分散液后,制成氧化石墨烯薄膜湿敏元件。采用X射线衍射、原子力显微镜、红外光谱、拉曼光谱和X射线光电子能谱对实验样品的结构和谱学特性进行表征。结果表明:石墨经氧化后,底面间距增大为0.9 nm左右;随氧化剂用量的增加,氧化石墨中石墨的衍射峰逐渐消失,石墨相微晶尺寸逐渐减小,O/C原子比逐渐增大,氧化程度逐渐升高;氧化石墨烯在水相分散液中可达单层分散,单层氧化石墨烯厚度约为1.3 nm;氧化石墨烯表面接有-OH、C-O-C、C=O和COOH官能团,且官能团含量随氧化程度的升高而增大;氧化石墨烯薄膜元件在室温下对湿度的响应时间约3 s,灵敏度达99%;在11.3%-93.6%相对湿度范围内,元件的电阻随湿度升高显著减小,较高氧化程度的氧化石墨烯薄膜的电阻对数与相对湿度呈线性变化;氧化程度越高,元件灵敏度越高,响应时间越短。     

氧化石墨超声时间对三维还原氧化石墨烯结构及超级电容性能的影响

将氧化石墨凝胶超声不同时间制备氧化石墨烯(GO)溶胶,再以GO溶胶为前驱体采用一步水热法制备了三维还原氧化石墨烯(3DRGO),采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)和电化学测试等研究了不同超声时间对3DRGO的形貌、结构及超级电容性能的影响.结果表明,当超声时间不超过120 min时,经水热反应后还原氧化石墨烯均能形成稳定的三维结构,但随着超声时间的延长,三维结构尺寸不断减小,强度增加,样品的内部结构也由片状逐渐向多孔网状转化;当超声时间超过120 min时,还原氧化石墨烯虽具有网状结构,但在宏观上不利于形成稳定的三维结构.电化学测试结果表明,经不同超声时间所制备的还原氧化石墨烯均表现出较好的超级电容性能,其中超声时间为120 min时制备的3DRGO具有更均匀的多孔网状结构,表现出了最佳的超级电容性能,在1 A/g电流密度下其比电容可达328 F/g,即使在20 A/g的大电流密度条件下,其比电容仍可高达240 F/g.     

氧化石墨烯的可控还原及结构表征

采用氧化还原法, 通过控制还原时间制备了不同还原程度的石墨烯; 用红外光谱、 紫外光谱、 拉曼光谱、 X射线衍射、 热重分析、 电导率测量等多种手段系统研究了不同还原程度石墨烯的结构与性能; 采用透射电子显微镜、 扫描电子显微镜和原子力显微镜比较了氧化石墨烯和石墨烯的形貌. 结果表明, 随着还原程度的增加, 石墨烯中含氧基团减少, 紫外吸收峰逐渐红移, D带与G带的强度比增加, 热稳定性和导电性提高. 微观结构表征说明石墨烯比氧化石墨烯片的厚度增加, 褶皱增多.     

石墨烯及氧化石墨烯对分离膜改性的方法、效能和作用机理

石墨烯及氧化石墨烯由于其独有的性质在分离膜领域引起广泛关注。本文综合分析了石墨烯及氧化石墨烯在分离膜改性方面的几种典型应用,即共混膜、多孔石墨烯膜和层状排列氧化石墨烯膜,并结合其制备方法、效能和作用机理进行阐述。结果表明,相转化法制备的共混膜可以提高膜通量和截留率、增加膜的亲水性并有效抑制膜污染,但是其并不能充分发挥氧化石墨烯独有的结构和性能优势,具有一定的局限性;层薄和机械性能强的完美结合使石墨烯可以通过打孔形成分离性能较好的多孔石墨烯膜,但是制备大片石墨烯的难度和不成熟的打孔技术限制了其进一步发展;而层状排列的氧化石墨烯膜可充分发挥氧化石墨烯材料的特性,以层间间距作为主要运输通道有利于充分发挥氧化石墨烯高输运速率的优点和高选择性的特性,为开创下一代高通量、高选择性、强抗污染性的高性能分离膜提供了重要思路。     

外电场对锂修饰氧化石墨烯结构储氢性能的影响

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,研究了外加电场对锂修饰氧化石墨烯结构(Li@GO)储氢性能的影响.考察Li@GO结构的稳定性及其对外加电场的响应,研究H_2-Li@GO结构的H_2分子吸附能、几何构型与外加电场的关系.研究结果表明,当外加电场方向垂直Li@GO平面向下(负电场)时,随电场强度增加,H_2分子的吸附能逐渐降低,H_2分子逐渐接近Li原子;当外加电场方向向上(正电场)时,随电场强度增加,H_2分子的吸附能逐渐升高,H_2分子逐渐远离Li原子,分波态密度(PDOS)分析表明:与无外加电场体系的PDOS相比,当对体系施加负电场时,H_2-Li的杂化峰向低能量方向位移,H_2分子与Li@GO结合更加紧密,提升了储氢稳定性;施加正电场时,H_2-Li的杂化峰向高能量方向位移,H_2分子与Li@GO作用减弱提升了氢气释放动力学性能.进一步计算表明,在无外加电场情况下,Li@GO结构最大储氢量在3.1%以上.     

石墨烯/还原氧化石墨烯/聚苯胺复合材料的制备及在超级电容器中的应用

本研究以低成本、易规模化的亲水性石墨烯/氧化石墨烯为前驱体,通过原位聚合的方法制备石墨烯/氧化石墨烯/聚苯胺复合材料,经过化学还原后制备得到石墨烯/还原氧化石墨烯/聚苯胺复合材料.采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和傅里叶红外变化光谱仪(FT-IR)对制备的材料进行了结构和形貌的表征.运用循环伏安法...     

氧化石墨烯的制备及低温还原研究

用化学氧化法制备氧化石墨烯,并用一种新型的低温化学还原方法将其还原。用红外光谱、拉曼光谱、X射线衍射、X射线光电子能谱、扫描电镜、原子力显微镜等多种手段表征氧化石墨烯和还原氧化石墨烯的结构与形貌。结果表明,即使在低温条件下,壳聚糖依然可以还原氧化石墨烯,从而预示,在低温条件下,能够在同一环境下实现氧化石墨烯的还原和石墨烯的应用。     

石墨烯的氧化还原法制备及结构表征

采用改进的Hummers法对天然鳞片石墨进行氧化处理制备氧化石墨,经超声分散,然后在水合肼的作用下加热还原制备了在水相条件下稳定分散的石墨烯。用红外光谱、拉曼光谱、扫描探针显微镜和ζ电位仪对样品进行了结构、谱学、形貌和ζ电位分析。结果表明,石墨被氧化后形成以C=O、C-OH、-COOH和C-O-C等官能团形式的共价键型石墨层间化合物;还原氧化石墨后形成的石墨烯表面的官能团与石墨的相似;氧化石墨烯和石墨烯在碱性条件下可形成稳定的悬浮液;氧化石墨烯和石墨烯薄片厚度为1.0nm左右。考察并讨论了还原过程中水合肼用量,体系反应温度、反应时间和pH值对石墨烯还原程度和稳定性的影响,水合肼用量和反应时间是影响石墨烯还原程度的主要因素;pH值对石墨烯稳定性影响较大。     

氧化石墨烯增强卡拉胶复合膜的制备与性能

在Hummers法基础上制得了氧化石墨烯(GO), 采用流延法制备了氧化石墨烯/κ-卡拉胶(GO/κ-Car)复合膜材料. 结合红外光谱、 扫描电子显微镜及热重分析对其结构进行表征. 探讨了不同条件所得膜的成膜性、 溶解性、 透气性和力学性能, 得到性质稳定GO/κ-Car复合膜的制备条件为15.0 g 3%的κ-Car溶液、0.040 g GO粉末及5.0 g 8%的PVA溶液于75 ℃搅拌混合5 h后, 流延铺平, 于30 ℃烘干6.5 h. GO质量分数为5%的GO/κ-Car复合膜的最大负荷、 拉伸强度及杨氏模量分别是对照组κ-Car膜的1.5倍、 1.5倍和1.6倍. 同时, GO/κ-Car复合膜具有较强的透气性能, 且保留了κ-Car清除羟基自由基的生物性能.     

The Influence of Lateral Size and Oxidation of Graphene Oxide on Its Chemical Reduction and Electrical Conductivity of Reduced Graphene Oxide

The chemical reduction efficiencies of graphene oxide (GO) are critically important in achieving graphene-like properties in reduced graphene oxide (rGO). In this study, we assessed GO lateral size and its degree of oxidation effect on its chemical reduction efficiency in both suspension and film and the electrical conductivity of the corresponding rGO films. We show that while GO-reduction efficiency increases with the GO size of lower oxidation in suspension, the trend is opposite for film. FESEM, XRD, and Raman analyses reveal that the GO reduction efficiency in film is affected not only by GO size and degree of oxidation but also by its interlayer spacing (restacking) and the efficiency is tunable based on the use of mixed GO. Moreover, we show that the electrical conductivity of rGO films depends linearly on the C/O and Raman I_D/I_G ratio of rGO and not the lateral size of GO. In this study, an optimal chemical reduction was achieved using premixed large and small GO (L/SGO) at a ratio of 3:1 (w/w). Consequently, the highest electrical conductivity of 85,283 S/m was achieved out of all rGO films reported so far. We hope that our findings may help to pave the way for a simple and scalable method to fabricate tunable, electrically conductive rGO films for electronic applications.     

Effect of Nitrogen Doping on the Optical Bandgap and Electrical Conductivity of Nitrogen-Doped Reduced Graphene Oxide

Graphene as a material for optoelectronic design applications has been significantly restricted owing to zero bandgap and non-compatible handling procedures compared with regular microelectronic ones. In this work, nitrogen-doped reduced graphene oxide (N-rGO) with tunable optical bandgap and enhanced electrical conductivity was synthesized via a microwave-assisted hydrothermal method. The properties of the synthesized N-rGO were determined using XPS, FTIR and Raman spectroscopy, UV/vis, as well as FESEM techniques. The UV/vis spectroscopic analysis confirmed the narrowness of the optical bandgap from 3.4 to 3.1, 2.5, and 2.2 eV in N-rGO samples, where N-rGO samples were synthesized with a nitrogen doping concentration of 2.80, 4.53, and 5.51 at.%. Besides, an enhanced n-type electrical conductivity in N-rGO was observed in Hall effect measurement. The observed tunable optoelectrical characteristics of N-rGO make it a suitable material for developing future optoelectronic devices at the nanoscale.     

High Correlation between Oxidation Loci on Graphene Oxide

Recent experiments have shown the coexistence of both large unoxidized and oxidized regions on graphene oxide (GO), but the underlying mechanism for the formation of the GO atomic structure remains unknown. Now, using density functional calculations, 52 oxidation pathways for local pyrene structures on GO were identified, and a kinetic profile for graphene oxidation with a high correlation between oxidation loci was proposed, which is different from the conventional view, which entails a random distribution of oxidation loci. The high correlation is an essential nature of graphene oxidation processes and can be attributed to three crucial effects: 1) breaking of delocalized π bonds, 2) steric hindrance, and 3) hydrogen‐bond formation. This high correlation leads to the coexistence of both large unoxidized and oxidized regions on GO. Interestingly, even in oxidized regions on GO, some small areas of sp²‐hybridized domains, similar to “islands”, can persist because of steric effects.     

Brodie's or Hummers’ Method: Oxidation Conditions Determine the Structure of Graphene Oxide

Synthesis and studies of graphite oxide started more than 150 years ago and turned into a boom by the measurements of the outstanding physical properties of graphene. A series of preparation protocols emanated trying to optimize the synthesis of graphene oxide in order to obtain a less defective material, as source for graphene. However, over-oxidation of the carbon framework hampered establishing structure-property relationships. Here, the fact that two different synthetic methods for graphene oxide preparation lead to very similar types of graphene oxide with a preserved graphene lattice is demonstrated. Either sodium chlorate in nitric acid (similar to Brodie's method) or potassium permanganate in sulfuric acid (similar to Hummers’ method) treatment are possible; however, reaction conditions must be controlled. With a preserved carbon lattice analytical differences between the samples relate to the altered on-plane functionality. Consequently, terming preparation protocols “according to Brodie's/Hummers’ method” is not sufficient.     

石墨烯和氧化石墨烯的表面功能化改性

石墨烯和氧化石墨烯由于特殊的电子、光学、力学性能已成为当今科学研究的热点.重点综述了近年来石墨烯和氧化石墨烯的表面功能化改性研究进展.首先介绍了石墨烯、氧化石墨烯的基本结构与性质.然后将表面功能化分为非共价键结合改性、共价键结合改性和元素掺杂改性.非共价键结合的功能化改性分为四类：π-π键相互作用、氢键作用、离子键作用以及静电作用.共价键结合的功能化改性分为四类：碳骨架功能化、羟基功能化、羧基功能化和环氧基功能化.元素掺杂改性分为N、B、P等不同元素的掺杂功能化.总结了石墨烯、氧化石墨烯基体与改性分子的相互作用和反应类型,以及改性产物的性能与应用.最后对石墨烯和氧化石墨烯在表面功能化改性方面的发展前景作了展望和预测.     

氧化石墨烯/超细银粒子复合物的制备及其光电性能

超细银粉在太阳能电池正面电极领域有广阔的应用前景,其粒径分布、分散性、表面态与其性能息息相关。 本文通过在液相还原法合成超细银粉的后期引入氧化石墨烯(GO),利用溶液状态下二者相对活性的表面的相互作用获得了性能优良的银粉。 通过X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和扫描电子显微镜(SEM)等手段对所得复合超细银粉进行结构及形貌表征,结果显示该法获得的银粉分散性较好、尺寸分布较窄。 进而,利用紫外-可见光谱探讨了GO与银粒子之间的相互作用。 而且研究发现:固定硝酸银溶液的浓度,随着GO含量的增加,银粉的导电性能先升高后降低,当GO的质量分数为2.5%时,导电性能更好。 这为超细银粉在实际中的应用提供重要数据和有益参考。     

石墨烯修饰Y型TiO_2纳米管光电极制备及其对氨氮催化氧化性能

采用三步阳极氧化法和一步循环伏安电沉积法制备了还原氧化石墨烯(rGO)修饰的Y型TiO_2纳米管(rGO/Y-TiO_2NTs)电极。通过场发射电子扫描显微镜(FESEM)、X射线能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)及拉曼光谱(Raman)等对电极样品进行了表征。以rGO/Y-TiO_2NTs电极为光阳极,测试了不同循环伏安沉积圈数对电极光电流响应的影响,考察了在1.0 V偏压下电极对氨氮的光电催化氧化性能。结果表明,高度有序的Y-TiO_2NTs为锐钛矿型,具有大的比表面积,表面修饰平滑透明rGO薄膜后可显著提高其光电催化效率,沉积圈数为30时电极在30 min内对氨氮的光电催化氧化效率为95.9%。