石墨烯薄膜制备方法研究

1、北京化工大学毕业设计论文北京化工大学毕业设计论文 PAGE * ROMAN PAGE * ROMAN I北京化工大学本科生毕业论文北京化工大学毕业设计论文北京化工大学毕业设计论文 PAGE * ROMAN PAGE * ROMAN IV石墨烯薄膜制备方法争辩诚 信 申 明本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进展的争辩工作和取得的争辩生成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含他人已经发表或撰写过的争辩成果，也不包含为获得北京化工大学或其他训练机构的学位或证书而是用过的材料，其他同志对争辩所做的奉献均已在论文中作了声明并表示了谢意。申请学位论文与资料假设有不实之处，本人愿担当一

2、切相关责任。本科生签名：日期：年月日本科生毕业设计论文任务书设计论文题目学院： 化学工程学院 专业： 化学工程与工艺 班级： 化工 0805学生： 艾东东 指导教师含职称：设计论文的主要任务及目标1Hummers法制备氧化石墨；2利用电化学复原法制备石墨烯。于导电玻璃外表，在恒电压下复原氧化石墨，制得薄层石墨烯。设计论文的根本要求和内容表征手段，把握根本的试验操作技能，学会分析试验结果。毕业论文完成后应具备独立进展争辩的力量。主要参考文献.石墨烯-构造、制备方法与性能表征M.北京：清华大学出版社，2022:3645.石墨烯的制备、组装及应用争辩D,北京：北京化工大学，2022Hummers W

3、 S, Offeman R E, Preparation of graphite oxideJ.J Am Chem Soc,1958,80(6):1339进度安排设计论文各阶段名称设计论文各阶段名称起 止 日 期1前期文献查阅并预备开题2022.2.152022.2.292进展相关试验，处理试验数据，分析结果2022.3.12022.5.13总结试验结果，编写试验论文2022.5.12022.5.204完善毕业论文，进展相关的修改2022.5.202022.5.305预备毕业辩论及毕业相关的工作2022.5.302022.6.5石墨烯薄膜制备方法争辩摘 要法；气相法的化学气相沉积法、电弧放电法

4、等。石墨烯在超级电容器、锂离子电 池、纳米复合物等方面有着广泛的应用。本文主要是探究电化学复原法制备薄层石墨烯的方法。本文利用 Hummers 法制备了氧化石墨，将所制得的氧化石墨溶解于 N，N-二甲基甲酰胺溶液DMFDMF 溶液涂在导电玻璃外表，利用循环伏安法找出最正确的复原电压，在此恒电压下复原氧化石墨烯制得石墨烯，然后用红外光谱对其进展表征，同时利用紫外可见分光光度仪测试石墨烯的透射率测量石墨烯的厚度，觉察我们合成的石墨烯根本为单层。关键词：石墨烯 氧化石墨 电化学复原法北京化工大学毕业设计论文北京化工大学毕业设计论文Researchonthepreparationofthin-laye

5、rgraphememethodAbstractGraphene, one novel single atom layer structured carbonaceous nanomaterial, hasattracted increasing number of research s due to the unique physical and chemical properties. There are several methods to fabricate the grapheme which have been studied and published, including sol

6、id state methods : mechanical exfoliation, epitaxy growth et al,liquid state methods : oxidation reduction, organic synthesis, solvothermal method et al, and gas state:chemical vapor deposition, arc-discharge method et al. Graphene has showedgreat potential in the application of Supercapacitor, Li-i

7、on batteries, nanocomposites.In this paper, We much attention on synthesizing graphene by a new method-theelectrochemical reduction method.We prepared the Graphite oxide by Hummers method and dissolved it into the N,N- dimethyl formamide (DMF) solution, coated the former DMF solution on the surface

8、of conductive glass. Graphene was synthesized at the best stable voltage which was found bycyclic voltammetry.We utilized the Infrared Spectroscopy (IR) to characterize the formation of the graphene and detected the thickness of the graphene by UV VIS, and found the graphene we fabricated that is al

9、most single layer.Keywords:graphene,graphiteoxide,electrochemicalreductionV北京化工大学毕业设计论文北京化工大学毕业设计论文 PAGE * ROMAN PAGE * ROMAN VIII目录 HYPERLINK l “_TOC_250017“ 前言1 HYPERLINK l “_TOC_250016“ 第1章 绪论2 HYPERLINK l “_TOC_250015“ 第1.1节 石墨烯概述2 HYPERLINK l “_TOC_250014“ 第1.2节 石墨烯的根本性能31.2.1电子学性能41. 2.2热学性能41

10、. 2.3力学性能51. 2.4磁学性能5 HYPERLINK l “_TOC_250013“ 第1.3 节 石墨烯的制备方法5机械剥离法5外延生长法6氧化石墨复原法6电化学复原法7化学气相沉积法7电弧放电法8 HYPERLINK l “_TOC_250012“ 第1.4 节 石墨烯的表征技术8光学显微技术8扫描电子显微镜SEM技术8透射电子显微镜TEM技术9扫描电子显微镜SPM技术9拉曼光谱Raman技术9 HYPERLINK l “_TOC_250011“ 第1.5 节 石墨烯的应用前景9石墨烯太阳能电池9锂离子电池的应用10单电子晶体管11气体传感器11电化学电容器12 HYPERLIN

11、K l “_TOC_250010“ 第2章 实 验 部 分13 HYPERLINK l “_TOC_250009“ 第2.1 节 本论文的选题背景、目的和意义13 HYPERLINK l “_TOC_250008“ 第2.2 节 试验试剂和仪器132.2.1主要试剂、材料和仪器13 HYPERLINK l “_TOC_250007“ 第2.3节 分析方法15循环伏安法15紫外可见分光光度计16 HYPERLINK l “_TOC_250006“ 第2.4节 试验步骤16氧化石墨的制备17石墨烯薄膜的制备17 HYPERLINK l “_TOC_250005“ 第3章 结 果 与 讨 论20 H

12、YPERLINK l “_TOC_250004“ 第3.1 节 石墨烯的电化学复原20石墨烯的循环伏安行为20石墨烯的恒电位复原21 HYPERLINK l “_TOC_250003“ 第3.2 节 石墨烯的红外光谱表征结果与争辩22 HYPERLINK l “_TOC_250002“ 第3.3 节 石墨烯的紫外可见光谱测试结果与争辩232 HYPERLINK l “_TOC_250001“ 第3.4 节 CuInS 薄膜/石墨烯的光电效应测试结果与争辩242 HYPERLINK l “_TOC_250000“ 第4章 结束语26北京化工大学毕业设计论文北京化工大学毕业设计论文致谢27参考文献

13、28VIII北京化工大学毕业设计论文北京化工大学毕业设计论文 PAGE PAGE 1前言碳是作为一种非金属元素在地球上广泛存在，是人类生活中不行或缺的一种物1924 年被争辩者觉察，然后1985 年、1991 2022 年成功制备出的单层石墨烯，订正了以前科学家们的一些错误生疏二维晶体材料在常温下无法稳定存在，引起了人们的广泛关注，目前已成光学、电子学、磁学、传感器、储能催化等诸多领域的热点话题，显示出了石墨烯巨大的应用潜能。究的制备方法，并对原料和产物进展了表征。北京化工大学毕业设计论文北京化工大学毕业设计论文 PAGE PAGE 3第1章绪论第1.1节石墨烯概述石墨烯是由碳原子在二维平面按

14、正六边形严密排列成的蜂窝状晶格构造，它可团聚成零维的富勒烯1、卷曲成一维的碳纳米管2而三维的石墨是由单片石墨烯经过 堆砌而形成的311,11是构建全部碳质材料的根底。石墨烯始终是石墨和后来消灭的碳纳米管的根本单 1934 年，朗道L.D. Landau和佩尔斯R.E. Peierls4就指出准二维晶体材料由于自身的热力学不稳定性，在常温常压下会快速分解。科学家们始终没有放弃对石墨烯的探究，经过多年的争辩，直到 2022 年，曼彻斯特大学的 Andre Geim 和他的弟子 Konstantin Novoselov 尽然首次用简洁的微机械剥离法制得薄层的型二维原子晶体的石墨烯5，极大的丰富了碳材

15、料家族，在透射显微镜下觉察悬浮的石墨烯层片上 存在大量的波浪构造12，12 石墨烯外表的热起伏振幅大约为 1nm，石墨烯就是由于外表形成褶皱或者吸附其他分子维持了自身的稳定性。石墨烯是指单层的石墨层片，仅有一个原子的厚度 0.35nm，约为头发丝直径的二十万分之一。石墨烯的构造稳定性格外高，而且各碳原子之间的连接相当柔韧，当受到外力攻击时，就会歪曲变形，使得碳原子不必重排列来适应外力，从而保证了自身的构造稳定性6。作为单质，石墨烯具有很多优异的性能，如它最大的特性就是其电子的运动速度是光速的三百分之一，是目前材料中电子传导速率最快的，远远超过了一般导体中电子的运动速度，其室温下的电子迁移率可达

16、1.5104m2V-1s-17，是锑化铟材料目前具有最高迁移率的材料的两倍，超 过半导体硅迁移率的十倍，在低温骤冷的状况下，其迁移率高达 2.5105m2V-1s-1；石墨烯虽然单质只有一个原子的厚度，且是材料中最薄的一种，但它的强度格外130 GPa，是钢的一百多倍；且石墨烯的热5000 Wm-1K-1，是金刚石的三倍8；石墨烯还具有优异的光学性能，理论试验结果说明，单层石墨烯可吸取 2.3%的可见光，即透过率为 97.7%9；石墨烯的理论比外表积高达 2600m2/g10，用石墨烯制成的微传感器可以感应单个原子或分子，当气体分子附着或脱离石墨烯外表时，吸附的分子将转变石墨烯的局部载流子浓度

17、，导致电阻发生阶跳动性变化，气体传感器就是依据这个原理制作的。此外， 石墨烯还具有室温下的半整数的量子霍尔效应、隧道效应、永久的导电率及铁磁性等一系列特别性质11，掀起了一股的“碳”争辩热潮。第1.2节石墨烯的根本性能北京化工大学毕业设计论文北京化工大学毕业设计论文sp2 杂化连接形成我们最生疏的单原子层构成的物质石墨烯，它是目前觉察的有机材料中最稳定的苯六元环，也是最薄的二维材料。石墨烯特别的构造使其具有多种性能，具体包括：电子学性能、热学性能、力学性能、磁学性能。1.2.1电子学性能石墨烯晶格具有六方对称性，碳有四个价电子，其中在石墨烯面内，每一个碳Pz轨道电子形成一个离域 键，它的这种特

18、别的构造打算了使其拥有优异的电子学性能。石墨烯的内部构造不同于一般的物质，它的每个晶胞里有俩个原子，会产生俩个锥顶点 K 和 K0见图 13，观看图形，石墨烯上下俩层是对称的，相对应的每个布里渊区均13 单层石墨烯的电子构造示意图有穿插的能带区域，在这些穿插点四周，波矢量打算了电子能 E。此外，石墨烯是零带隙半导体，具有独特的线性光谱特征和载流子特性，因此科学家们认为单层石11。正由于石墨烯具有特别的能带构造，使其拥有优越的导电性能，导电率超出一般的硅半导体，成为将来唯一可能取代硅的物质。出不同宽度或者边缘外形纳米石墨条带组合的纳米电子器件。1. 2.2热学性能Balandin 等人12通过非

19、接触光学方法测量得到单层石墨烯的热传导系数高达5300 Wm-1K-1，这比碳纳米管的热传导率 30003500 Wm-1K-1 还要高，说明石墨烯作为导热材料具有良好的应用前景。4北京化工大学毕业设计论文北京化工大学毕业设计论文1. 2.3力学性能石墨烯是以 sp2 杂化的单原子层二维晶体，具有极高的力学性能，通过原子显微镜、扫描隧道电子显微镜等观测，可清楚地看到石墨烯的片层构造 外表褶皱起伏，就像西北地区那凹凸不平的山丘，远远望去效果很明显，当受到外力的攻击强度、高模量的特征。1. 2.4磁学性能据有关人员报道，双氢化及单氢化锯齿状边的石墨烯具有铁磁性，这是由于石墨烯锯齿形边缘拥有孤对电子

20、对，这才使得石墨烯拥有一些潜在的磁性能，比方磁性开关、铁磁性等。争辩说明，纳米石墨在肯定的磁场强度下，转变温度可以使纳米石墨的磁性发生转变13。例如，在 1T 磁场强度下，温度 T90K 时，纳米石墨表时，则表现出了顺磁特性。也就是说在低温区域，纳米石墨表现出了顺磁性，而在较高温区域显示出了反磁特性。此外，对石墨烯进展化学改性和不同方向的裁剪可以对其磁性能进展调控，同时石墨烯外表的物理吸附也可以对其磁性能有所转变。第1.3节石墨烯的制备方法机械剥离法这是盖姆等人于 2022年用一种简洁的方法机械剥离法，利用这种方法成功地从高定向热解石墨上剥离并观看到单层石墨烯5。以下图 4-1 是试验装置图。

21、5北京化工大学毕业设计论文北京化工大学毕业设计论文 PAGE PAGE 614 械剥离法制备石墨烯的装置示意图目前觉察的其他剥离法还包括淬火法14 、静电沉积法15等。但是利用上述方法很难得到单独的单原子层厚的石墨烯片，再加上产率也低，不适合大规模生产和应用。外延生长法C.Berger SiC，获得了薄层石墨烯，具体操作过程是4HSi16。将样品的外表进展氧化或者氢气蚀刻后，在超低压高真空下进展电子轰击加热到 1000以去除1250145020min 以内，最终可得到石墨烯薄片，值得留意的是温度会影响石墨烯的厚度，过程中应留意对温度的把握。的缺陷在于 SiC 晶体外表构造比较简单，获得厚度均一

22、、面积较大的石墨烯比较困难。氧化石墨复原法Standenmaier法17、Bredie法18、Hummers法19, 这三种方法都是用强氧化酸处理原石墨，强氧化酸小分子嵌入石墨层之间，然后对其进展氧化。 Hummers法或许过程是将自然 鳞片石墨 NG和无水 硝酸钠NaNO3混合后参加到浓硫酸H2SO4中，然后把反响装置放在冰水浴中，同时在强力搅拌下的状况下参加强氧化剂高锰酸钾高锰酸钾 KMnO4，维持温度不30%的过氧化氢H2O2复原未反响的高锰酸钾KMnO4和反响过程生成的二氧化锰MnO2，一边反响一边参加大量的水，最终经过滤、北京化工大学毕业设计论文北京化工大学毕业设计论文 PAGE P

23、AGE 7洗涤、枯燥得到氧化石墨 GO。Brodie法是先用发烟硝酸 HN03处理自然鳞片石墨，在处理过程中硝酸根离子插入石墨片层间，然后用氧化剂高氯酸钾 KClO4 进一步对石墨氧化，随后将大量去离子水加在反响混合物中，最终过滤、洗涤、干燥得到GO。Standenmaier法是先将浓硫酸 H2SO4和发烟硝酸 HNO3混合，然后对石墨粉进展处理，接着用氧化剂高氯酸钾KClO4氧化石墨而得到氧化石墨。以上这三种氧化方法，Brodie法所得石墨氧化程度较低，所得氧化石墨不利于对石墨烯的制备；Standenmaier法由于所使用的浓硫酸和发烟硝酸混合酸氧过程度高，对石 墨层构造的破坏较为严峻；而

24、Hummers氧化法没有这些缺陷，它氧化石墨的程度适中，对石墨层间构造破坏较小，且安全系数高。由于 Hummers这种制备方法，可以获得独立的单层石墨片，而且产量高，所以受到广泛应用。电化学复原法这种方法工作的原理是，通过转变外部电能来调整材料的内部电子状态，从而有规律的对材料进展修饰和复原。Liu等20通过电化学的方法制备了石墨烯，具体操 作过程是首先将两个高纯度的石墨棒平行插入离子液体水溶液中，电压设置在10-20V之间，反响30min后阳极石墨棒被腐蚀，在阴极处阳离子被复原形成自由基，石 墨烯片中的电子与其相结合，之后用无水乙醇洗涤黑色沉淀物，在枯燥箱中枯燥 2h即可得到石墨烯。此方法虽

25、然制备出了功能化的石墨烯，但是所制备的石墨烯非单层厚度。相继众多科研人员尝试利用电化学复原法制备石墨烯，方法在不断的改C和O的原子比值，受到广泛关注。化学气相沉积法化学气相沉积法供给了一种制备石墨烯的有效方法，是近几十年进展起来的一种方法。该方法主要是以Ni、Ru等过渡金属为基体21，传统的化学气相沉积法是，它是将平面基底置于高温可分解的碳氢化合物气体中，加热催化碳氢化合物裂解，然后通过高温退火在基底外表沉积形成石墨烯，最终将金属基底用化学腐蚀法去除即可得到石墨烯片。一般选用Ni作为基底，而最近的争辩说明，Cu比Ni更具有 优势22。此方法可获得大面积石墨烯薄膜，适于广泛应用。北京化工大学毕业

26、设计论文北京化工大学毕业设计论文 PAGE PAGE 10电弧放电法电弧放电法也是制备纳米碳材料的典型方法，因其独特的效果而被广泛应用。Subrahmanyam等23以氦气和氢气的混合气体为缓冲气体，两个电极石墨间形成等离子电弧，随着放电的进展，阳极石墨不断消耗，阴极上沉积碳，实现了石墨烯的制备。该方法中氢气起了关键作用，使石墨烯卷曲或闭合生成碳纳米管可能性变小。但该方法本钱较高，且存在肯定的危急性，不提倡经常使用。石墨烯的制备方法还有很多，诸如：微波法24、溶剂热法25、有机合成法26等。第1.4节石墨烯的表征技术光学显微技术石墨烯虽然仅有一个原子厚度，但在光学显微镜下却可以成像，最初石墨烯

27、就27。在使用过程中值得留意的是，在一般的硅片基底上，光学显微镜下是无法观测到石墨烯的，氧化硅层的厚度对石墨烯的光学成像尤为重要，只有当氧化层厚度满足肯定条件时，由于光路干预和衍射效应而导致颜色变化，石墨烯会显示出特有的颜色和比照度。目前，光学显微技术已经成为一种成熟的石墨烯层数标定技术。扫描电子显微镜SEM技术扫描电子显微镜的成像原理：当电子束在样品外表扫描时会激发出二次电子，探测器可收集产生的二次电子，则可获得样品外表构造信息。由于石墨烯放射二次28，在SEM下很难成像，但幸运的是石墨烯质软，在基底上沉积可以形成大量的褶皱，SEM可清楚区分出这些褶皱，从而勾画出石墨烯的轮廓。因 此，SEM

28、适合表征大面积的石墨烯薄膜，而不能够测出石墨烯的层数。透射电子显微镜TEM技术TEM简称透射电镜，它的成像原理很简洁，就是电子束透过薄膜样品经过聚焦与放大后所产生的物象。由于电子简洁被物体吸取或者散射，故而穿透力极低，必需将样品切成薄片，而石墨烯满足这个条件，可以直接用TEM检测。在TEM下只能判别石墨烯的样子，观测到石墨烯层片的或许轮廓，无法对其层数进展鉴定。而使用高区分电子显微镜HRTEM可以对石墨烯原子尺寸进展表征，可测出石墨烯的层数。扫描电子显微镜SPM技术SPM包括原子力显微AFM和扫描隧道显微STM两种模式，它是依据量子力学中的隧道效应设计的，可以分别对材料的原子构造和外表形貌进展

29、检测。借助SPM，我们可以观看到很多样品外表的单个原子和外表的三维原子构造图像，进而可以清楚的了解样品的内部构造。通过使用SPM，我们可以清楚的观测出石墨烯样品的厚度。拉曼光谱Raman技术在Raman光谱中，Raman光谱的各种条件都是影响石墨烯的层数的因素，比方形 状、宽度和位置等，这为石墨烯层数的测量供给了一个高效率、无破坏的表征手变化，依据这一变化可以分析材料的分子构造。据此，拉曼光谱可以用于鉴别单层、双层、多层石墨烯和块体石墨烯之间的区分。所以依据试验结果可知，Raman法 是检测石墨烯厚度的最正确选择。第1.5节石墨烯的应用前景石墨烯太阳能电池石墨烯具有独特的单原子二维构造使其拥有

30、很多优异的特性：高迁移率、高透光率、高比外表积、可功能化及其他优越的电学性能，可以作为太阳能电池的组成材料，使石墨烯制作太阳能电池成为可能。众所周知，铟锡氧化物ITO是太阳能北京化工大学毕业设计论文北京化工大学毕业设计论文 PAGE PAGE 13电池材料29,但是由于铟这种资源在地球上格外稀缺，电极材料供不应求，人们急需查找一些的材料来代替铟锡氧化物。石墨烯那些优异的性能正好能满足太阳能电ITO的代替品，利用石墨烯制作太阳能电极材料成为人们当今争辩的热点。石墨烯可用做有机聚合物太阳能电池中的中间电极、电子受体材料和构造架 等。ShougenYin和YongshengChen小组30,31利用

31、3-己基噻吩P3HT或3-辛基取代3-己基噻吩P3HT和3-辛基取代聚噻吩P3OT作为给体材料。争辩觉察，石墨烯有效的抑制了P3HT得光致发光效应，从而使大局部电子能量由P3HT转移到石墨烯上。试验说明该体异质结有机聚合物太阳能电池的开路电压、短路电流密度、填充因子及光电转换效率分别为0.72v、4.7mA/cm2、32%和1.1%32。Li33等对石墨承受玻璃-嵌入-膨胀法制备了高质量的石GO为原料制备的石墨烯低很多，差不多是一百倍，并且以DMF为溶剂，成功地制备出了透亮导电膜，这种膜也成为应用于太阳能电池的潜在材料。锂离子电池的应用锂离子电池由于具有高能量密度、高电压、无记忆效应、循环性能

32、优越、无重金属污染环境等优点，是一种抱负的绿色电源，才得以大规模推广。近几年，人们觉察石墨烯的片层构造有利于锂的嵌入和脱嵌，且石墨烯具有良好的导电性，结晶度高，重要的是锂原子嵌入石墨后电位根本保持不变，因此石墨是一种优秀的锂离子电池负极材料。锂嵌入石墨层之间的量不同，会形成不同阶数的化合物，例如平均二层插入一层锂原子，就称为二阶化合物。当形成一阶化合物时，锂原子相互排斥，此时石墨电极的理论最大可逆容量为372mAh/g。Honma等人将化学改性的石墨 烯组装成不同层数的石墨薄片，并将这种石墨薄片制成锂离子电池负极，其可逆容量可达540mAh/g，高于石墨的理论可逆容量。次课题小组为了验证电极的

33、可逆容量与石墨薄片中石墨层间距的关系，他们在石墨烯层片间插入了碳纳米管和C60后，石墨层间距进一步扩大，其可逆容量尽增大到了784 mAh/g和730 mA h/g。这就说明了石墨薄片电极的可逆容量随着石墨层间距的增大而提高34。单电子晶体管石墨烯具有高的稳定性、高迁移率和特别的能带构造，甚至在只有一个六元环的状况下仍可以稳定存在，这对研制分子级的电子器件有着重要的意义。目前科学家们都在努力研制用一个或者少量电子就能记录信号的晶体管单电子晶体管，这种单电子组件可能突破传统的电子技术极限，目前一般的储存器每个储存元包含的电子数远远超过了单晶体管每个储存单元包含的电子数，差不多是二十万与一的关系，

34、这就大大降低了能耗，提高了集成电路的集成度。石墨烯在内存、光学器件、和传感器等方面有很大的应用前景，有望为进展超高速计算机芯片带来突破，也会对其他领域带来大的促进作用。由于石墨烯的电子运动速度到达了光速的1/300，所 产生的热量特别少，所以石墨烯器件制成的微计算机处理器有望取代硅基计算器大大提高计算器机的运行速度。气体传感器为制备气体传感器供给了可能性。石墨烯的外表可吸附气体分子如NO2、H2O等，这些气体分子能诱导石墨烯本身的电荷密度分布，从而转变石墨烯的电导率，因此，石墨烯晶体管可以用作气体分子探测器或者传感器。分子精度的探测。Geim等35首次利用石墨烯气体制备出了石墨烯传感器，结果说

35、明，当NO2和H2O吸附到石墨烯外表时，石墨烯的导电性会有明显增加，而相反当NH3和CO分子吸附到石墨烯外表时，则会消灭相反的效果，然而我们惊异的觉察，当石墨烯吸取定量气体并加热到肯定温度150，然后在真空真空箱中进展退火时，将会恢复导电率，利用这个原理可以实现对气体单分子的检测。间续有科学家制作出对氢气、氦气等探测的单独仪器。然而由于现有科学水平的限制，传感器的实际要任务。在传感器方面的应用具有广泛的前景。电化学电容器用在超大电流电力、快速充电等场合。在石墨烯觉察之前，碳材料已经应用于超级电容器中，比外表积大、内阻小的多孔碳材料被应用于双层超级电容器中，并已经成功商业化。目前，用于制备超级电

36、容器的碳材料主要有：活性碳纤维、活性碳粉末、碳纳米管、碳气凝胶、模板介孔等，碳材料作为超级电容器的电极材料主要有三方面的优势：第一，石墨烯具有大的比外表积；其次，石墨烯的平面层片状构造有利于电解液的浸润和离子的吸附/ 脱附，提高电容器的储能密度和功率特性；第三，石墨烯层片具有优异的导电和导热性能，可以有效降低电容器的内电阻，并提高其散热性能，从而提高电容器的充放电速率和功率密度。科学家们奋力争辩石墨烯材料制成的超级电容器，力求制出储能密度高、导电速率快的超级电容器。Ruoff小组利用肼复原GO制得石墨烯，然后用这种石墨烯材料制成的超级电容器，在水基和有机电解质中的比电容密度分别为135F/g和

37、99F/g36。间续还有更多的科学家进展了探究，石墨烯材料在超级电容器方 面的应用将会有广泛的前景。战的热点。北京化工大学毕业设计论文北京化工大学毕业设计论文第2章实验 部分第2.1节本论文的选题背景、目的和意义自从2022年Geim小组利用微机械剥离法制备出单层石墨烯以来，就引发了一股 石墨烯的争辩热潮。石墨烯是目前觉察的最薄的二维材料，其独特的物理化学性质导电性高、强度高、热导率强、优异的光学性能、比外表积大等，吸引了众多国能源。现有的石墨烯制备方法有很多，相如机械剥离法、加热SiC法、溶剂热法等，这些都是制备石墨烯的有效方法，然而对于制备薄层的石墨烯却有肯定的难度，加热SiC法虽然可以通

38、过把握温度来把握得到的石墨烯的层数，但是条件也比较苛刻，还是不能大量生产。电化学方法制备出薄层石墨烯。主要内容包括：利用Hummers法制备氧化石墨烯，并进展表征；利用循环伏安法复原氧化石墨烯，找出复原氧化石墨烯的适宜电压；在此恒电压下，电解粘有GO的导电玻璃一段时间，并对所得样品进展表征，观看石墨烯的构造。制备薄层石墨烯材料的方法。第2.2节试验试剂和仪器2.2.1主要试剂、材料和仪器试验中所用试剂如表21所示，试验中所用的主要设备及仪器见表22所示。13北京化工大学毕业设计论文北京化工大学毕业设计论文表21试验所用试剂和厂家试剂名称纯度/型号生产厂家NG/北京化工厂浓硫酸H2SO4分析纯北

39、京化工厂分析纯西陇化工股份KMnO4分析纯北京化工厂双氧水H2O230%北京化工厂盐酸HCl分析纯北京化工厂BaCl2分析纯北京化工厂H2O电导率 1.6S/cm自制N，N-二甲基甲酰胺分析纯北京化工厂(DMF)14北京化工大学毕业设计论文北京化工大学毕业设计论文 PAGE PAGE 1622 试验所用装置和厂家装置/仪器名称拌器磁力搅拌器数显鼓风枯燥箱高速台式离心机超纯水机电子分析天平傅里叶红外光谱仪型号DF-101S2D267 GZX-9030MBEUV759 JK-50BUI5022 XYB2-10-HFA2104NNicolet6700生产厂家河南省予华仪器北京京伟欣业电器 上海周密科

40、学仪器 成都名驰有限责任公司合肥金尼机械制造 北京湘顺源科技Thermo公司第2.3节分析方法循环伏安法根本原理相比照较差。工作电极一般使用玻碳、石墨、铂等固体电极。循环伏安法的应用析。它包括阴极与阳极两个方向，所以从所得图形的复原波和氧化波的峰高和对称性中来推断电活性物质在电极外表反响的可逆程度。假设反响是可逆的，则曲线上下对 称，假设反响不行逆，则曲线上下不对称。很有用37。紫外可见分光光度计根本原理析。紫外可见分光光度计的应用0.20.8 微米，它在有机化学争辩中得到广泛的应用。此光谱仪可进展多方面的争辩，在定量方面，可测定混合物中各组分的含量，也可以测定物质的离解常数、稳定常数、微量滴

41、定中指示终点和物质分子量鉴别以及在高效液相色谱中作检测器等38。第2.4节试验步骤北京化工大学毕业设计论文北京化工大学毕业设计论文 PAGE PAGE 19氧化石墨的制备在枯燥的烧杯中参加46mL浓硫酸，用冰水冷却至10以下，在磁力搅拌棒不断搅拌下参加2g鳞片石墨和1gNaN03的固体混合物，再缓慢参加6g粉末高锰酸钾，同时把握反响温度在20以下。待KMn04加完后移去水浴，待温度上升到35，温度严格把握在35左右连续搅拌30 min。缓慢参加92mL去离子水，连续搅拌15min。142ml去离子水进展稀释，常温条件下反响12h，然后参加肯定量的质量分数为30%的双氧水复原残留氧化剂，持续几分

42、钟，溶液变为亮黄色。趁热离心，得到黄褐色的残留物。分别用体积分数为5%HCl溶液和去离子水洗涤3次，每洗涤一次离心一4000rpm，同时用PH试纸检测，直到滤液为中性，用氯化钡检测无硫酸根为止。60的枯燥箱中充分枯燥，得到GO。石墨烯薄膜的制备氧化石墨烯薄膜的制备切片与保存去单面导电玻璃，用玻璃刀切成3cm1cm大小的小玻璃片假设干，铺放在滤纸 上，用去离子水冲洗，将其放入预备好的15mL乙醇溶液中超声5min；然后转移至15mL的丙酮溶液中，超声5min；接着转移至15mL的去离子水溶液中，超声5min，最终存放在烧杯中，去离子水掩盖，密封保存待用。配置氧化石墨溶液氧化石墨虽是亲水性化合物，

43、但它在水中的溶解度还是很小的，在超声波的作N，N-二甲基甲酰胺DMF溶液，配置浓度为1mg氧化石墨/mL的DMF溶液，密封保存，待用。操作内，在枯燥器内枯燥半小时，最终存放待用。循环伏安法电解导电玻璃清洗铂网具体过程是，首先分别量取肯定量的硝酸、盐酸、去离子水，按体积比30:15:55 配置，然后将铂网浸泡一分钟；接着将铂网移至乙醇去离子水溶液中，体积比1:1配置，超声5min；再转移至体积比1:1配置的硝酸/去离子水溶液中，超声5min；最终在 去离子水溶液中超声5min，清洗完毕后存放在去离子水溶液中待用。预备电极三电极体系工作电极WE：镀有GO的导电玻璃将洗干净的导电玻璃导电面粘上上述配

44、置的氧化石墨溶液，沾湿玻璃的三分之二，在玻璃上涂匀，在枯燥箱里枯燥2h，密封保存。对电极CE：铂网电极CE分别用乙醇水溶液1:1，硝酸水溶液1:110min。参比电极RE：SCE，用前在过饱和KCl 溶液中存放，用时用去离子水冲洗干净外表。果。操作将扫描电压设置在-1500mV-0mV，扫描速率为10mV/s，量程是500A，反映介 质在50mL1.05mol/L的KCl溶液中。石墨烯薄膜的制备电极预备同上。操作1.05mol/LKCl溶液，在-1000mV的恒电位下电解。石墨烯的测试和表征墨烯进展表征，测试它的构造。CuInS2薄膜/石墨烯的光电效应预备电极铂网、CuInS2薄膜、汞电极、碳

45、棒电极操作CuInS2薄膜的工作电极同碳棒电极、汞电极构成三电极体系，首先-1V-0.1V0.005V/S，电解溶液为样的测试；0.004mg/mLGO溶液，枯燥，在-1300mV5分钟，枯燥； 将得到的玻璃片重复步骤，比较和。北京化工大学毕业设计论文北京化工大学毕业设计论文3章 结 果 与 讨 论第3.1节石墨烯的电化学复原石墨烯的循环伏安行为在-1500-0mV 31 所示。图31循环伏安图，1、2、3表示第一、其次、第三圈观看试验图形可知，只有第一圈消灭复原峰，随着扫描圈数的增加，该复原峰电流急剧降低直至消逝，这说明氧化石墨已被复原且不行逆22。观看复原峰，- 1100mV处消灭强峰，在

46、复原曲线刚起峰的时候，随着峰的强度加强，氧化石墨烯被复原的速率增加，在峰的最强处复原速率到达最大也就是电子的转换速率到达最大,20北京化工大学毕业设计论文北京化工大学毕业设计论文为了选择适宜的电压复原氧化石墨烯，由于比-1500mV更负会有氢气生成，太小的电 压不利于石墨烯复原，因此最终确定复原电压为-1000mV。石墨烯的恒电位复原在-1000mV的电压下复原氧化石墨烯，如以下图32所示。图32 1h下恒电位复原图上图是反响1小时的图形，观看图形可知，复原曲线比较快地就趋于平衡，这表 明石墨烯已经被复原，同时观看玻璃外表反响3分钟左右就消灭了黑色物质，即为石 墨烯，这就说明氧化石墨烯短时间内

47、已经被复原。是生成石墨烯的速度有点不同，电压强的状况下复原速度快点，电压弱的状况下速度稍慢。所以最终就是确定在此电压下进展试验。21北京化工大学毕业设计论文北京化工大学毕业设计论文 PAGE PAGE 24第3.2节石墨烯的红外光谱表征结果与争辩图33是石墨、氧化石墨、石墨烯俩个物质的红外光谱图，其中石墨烯是在h、1h的光谱图。图33石墨a、氧化石墨b、石墨烯c、d的红外光谱观看图形，a、b、c、d三个曲线在3430cm-1和1630 cm-1四周都有一个水分子中- OH和芳香环C=C骨架的伸缩振动吸取峰，a曲线在1203 cm-1 消灭C-O的伸缩振动吸取峰，这说明石墨的纯度不够高。c、d两

48、曲线的的走势差不多，只是透射率有所不同，说明在半小时内氧化石墨烯已经被完全复原且比较彻底。比较b、c曲线，明显b 曲线中的峰多且强于c曲线的峰，b曲线在1740 cm-11700 cm-1和1260 cm-11000cm-1间消灭-C=O、-COOH和C-O等伸缩振动峰，而对于c曲线只是在1260 cm-11000cm-1 之间消灭微弱的C-O伸缩振动峰，这说明石墨烯产物有点不纯。认真观看图形觉察c、d曲线在2923cm-1和2856cm-1俩处消灭DMF分子中的-CH3中C-H键中的对称和不对称伸缩振动峰22，说明在在处理玻璃片时还有少量DMF物质残留在产物中。DMF中的溶解性比水中强，但对

49、产品还是造成肯定的影响。3.3 节 石墨烯的紫外可见光谱测试结果与争辩 DMF溶液下电复原法生成的石墨烯薄膜的厚度，本34所示。图 34 氧化石墨1、石墨烯2、3、4、5的紫外可见分光谱图1曲线是氧化石墨烯的测试曲线，在反响之前的测试。观看上图及数据分析，可知石墨烯的吸光度在增加，即其透射率在减2.45%，在此吸取度下的可见光波长680nm2.3%的可见97.7%21。据此可知，此玻璃片上的石墨烯已经很薄了。3.4CuInS/石墨烯的光电效应测试结果与争辩235 1、2CuInS2薄膜光照和暗处的反响3、4 CuInS2/石墨烯光照和暗处的反响CuInS2薄膜作为太阳能电池光吸取材料，主要功能

50、就是将光能转化成电能，由于具有优异的综合特征而受到广泛关注。本试验主要就是为了测试薄层石墨烯对CuInS2351、3CuInS2薄膜状况CuInS2 薄膜单独状况下的光电流，尽管此时的石墨烯薄膜已经很薄了，但照旧对光有肯定的阻碍作用，再加之石墨烯本身对光也有吸取作用，据报2.3%21,CuInS2 薄膜外表的光能北京化工大学毕业设计论文北京化工大学毕业设计论文状况下的光电流。25北京化工大学毕业设计论文北京化工大学毕业设计论文 PAGE PAGE 29第4 章结 束语烯，并对其进展表征，提出以下意见及建议：在利用 Hummers 法制备氧化石墨的过程中，对温度的把握格外关键，每烯的制备。适合电

51、压为-1000mVN，N-二甲基甲酰胺溶液中。由红外光谱可知，DMF 分子简洁残留在样品中，降低样品的纯度。的生成，但是它在玻璃片外表到达均匀分布有待提高。CuInS2薄膜试验中，我们了解到即便石墨烯很薄、导电性很强，照旧对CuInS2薄膜产生副作用。参考价值。致谢完成论文。不苟的作风始终是我工作、学习中的典范，让我树立了科学的争辩方法和分析方 过我的教师和同学表达感谢之情。业。杨静国，朱静.聚合物/氧化石墨纳米复合材料的争辩进展J.广东化工，2022，349：2831陈思明.型石墨材料的制备及其在电化学领域方面的应用D.北京：北京化工大学，2022贾波.石墨烯的制备及其纳米导电复合膜的争辩D

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56、ure, and ElectrochemicalProperties of Reduced Graphene Sheet FilmsJ.Adv Funct Master,2022,19(17):27822789HummersWS,OffemanRE,PreparationofgraphiteoxideJ.AmSoc,1958,80(6):1339Liu Q，Liu Z，Zhang X，et a1Organic photovoltaic cells based on an acceptor ofsolublegrapheneJAppliedPhysics Letters，2022，92：223-303朱雄伟，徐志平，谢丹等.石墨烯-M.北京：清华大学出版社，2022:3645谢存存.石墨烯的液相制备及其透亮导电薄膜的争辩 D.江苏，南京理工大学：2022Subrahmanyam K S，Panchakarla L S，Govindaraj A，et a1Simple method of preparing graphene flakes by an arc discharge methodJJ Phys Chem C ，2022，113：42574259Chen