离子型石墨烯无溶剂纳米流体的制备及电化学性能研究
第一章 绪论 1
1.1 石墨烯 1
1.1.1 石墨烯的性质 1
1.1.2 石墨烯的制备 3
1.2 氧化石墨烯及其功能化 5
1.2.1 共价键功能化 5
1.2.2 非共价键功能化 6
1.3 无溶剂纳米流体 7
1.3.1 纳米流体简介 7
1.3.2 国内外研究现状 7
1.4 锂离子电池 8
1.4.1 锂离子电池的概述 8
1.4.2 无溶剂纳米流体在锂离子电池中的应用 9
1.5 本论文的目的与意义 9
第二章 实验部分 11 2.2 非共价键功能化 6
1.3 无溶剂纳米流体 7
1.3.1 纳米流体简介 7
1.3.2 国内外研究现状 7
1.4 锂离子电池 8
1.4.1 锂离子电池的概述 8
1.4.2 无溶剂纳米流体在锂离子电池中的应用 9
1.5 本论文的目的与意义 9
第二章 实验部分 11
2.1 实验药品 11
2.2 实验仪器 11
2.3 实验步骤 12
2.4 测试与表征 12
2.4.1 X射线衍射（XRD）测试 12
2.4.2 傅里叶变换红外光谱（FTIR）测试 12
2.4.3 X射线光电子能谱（XPS）测试 13
2.4.4 激光拉曼光谱（Raman）测试 13
2.4.5 透射电子显微镜（TEM）测试 13
2.4.6 原子力显微镜（AFM）测试 13
2.4.7 差示扫描量热仪（DSC）测试 13
2.4.8 热重分析（TGA）测试 14
2.4.9 流变性能测试 14
2.4.10 电化学性能研究 14
第三章 结果与讨论 15
3.1 结构分析 16
3.1.1 XRD分析 16
3.1.2 FTIR分析 17
3.1.3 XPS分析 18
3.1.4 Raman分析 21
3.2 微观形貌分析 21
3.2.1 TEM分析 21
3.2.2 AFM分析 22
3.3 热性能分析 24
3.3.1 DSC分析 24
3.3.2 TGA分析 25
3.4 流变行为分析 26
3.5 电化学性能分析 30
结 论 34
致 谢 35
参 考 文 献 36
第一章 绪论
1.1 石墨烯
在当代的研究中，石墨烯作为碳的二维同素异形体中的一员，引起了广泛的关注[]。石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道结合的、呈六角型排列的、只有一个原子厚度的薄膜。它被认为是目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。
石墨烯是单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯的统称，它们之间的不同在于苯环结构的不同。单层石墨烯是指由一层苯环结构堆积，双层石墨烯是指由两层苯环结构堆积，而少层石墨烯则由310层苯环结构堆垛而成。
由于石墨烯具有特殊的电性能、力学性能和热性能，其可以应用在多个领域，如锂离子电池、超级电容器、纳米复合材料、高灵敏度传感器、储能材料等。
1.1.1 石墨烯的性质
（1）电学性质
研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况，说明石墨烯的结构非常稳定。当外界对它施加力时，碳原子面就发生弯曲变形，这表明石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，这样碳原子不必重新排列来适应外力带来的变化，也就保持了结构稳定。稳定的结构也就保证了碳原子具有优秀的导电性，而且石墨烯的导电性能够稳定在一个广泛的温度范围内，这种稳定性在很多应用中是非常有价值的。对于石墨烯电子性能有更深一层的说明，它显示了半整数量子霍尔效应，在室温下石墨烯的电子传导速度可到达光的实际速度即费米速度（vF≈106m s1）[]。悬浮的石墨烯有超高的电迁移率，且悬浮的单层石墨烯的电迁移率能够达到200000cm2V1s1，电子密度约为2×1011cm2。这个事实表明如果把石墨烯作为传导材料，就可以制造出低功耗、高效率的晶体管。
（2）热学性质
在实验方面，Ghosh等人[]首次测得在室温下石墨烯的热导率在（5.3±0.48）×103至（4.84±0.44）×103W/mK之间，这是利用共聚焦显微镜拉曼谱中G峰频率和激光能量的关系，这个结果表明石墨烯是目前热导率最高的材料。在理论方面，科学家们预言石墨烯的热导率能够达到7000W/mK，因为Tomanek等人[]发现在低温条件下，碳纳米材料的导热性能良好。在石墨烯二氧化硅上的导热系数约为600W m1 K1，而在室温下悬浮的单层石墨烯的导热系数是3000–5000 W m1 K1，比石墨烯二氧化硅高了一个数量级。导热系数的升高是由于石墨烯二氧化硅界面上存在声子泄露和强烈的界面散射，然而这在单层石墨烯中不存在。
（3）力学性质
一般情况下，块体材料的厚度减小，它们的力学性能会变差，然而只有一个原子层厚度的石墨烯材料跟块体材料却不同。所以说，石墨烯薄膜材料拥有和块体材料不同的力学性质。杨氏模量是表征材料力学性质时常用的基本参数，Wee等人[]测得了单层石墨烯的杨氏模量，是通过原子力显微镜（AFM）测量得到的。Alden等人[]研究得出在微米尺寸下的石墨烯的弹性常数为0.2N/m,而Tanenbaum等人[]实验后发现悬挂的石墨烯薄膜的弹性常数约为15N/m，此石墨烯薄膜的厚度为28nm。石墨烯的硬度甚至比最好的钢铁强100倍，表明石墨烯是比钻石还坚硬的材料，上面的这些研究成果也表现出这一点。科学家通过计算得知，假如可以制得厚度为100nm的石墨烯的话，需要20000N的力才能扯断，石墨烯每100nm的距离上可承受的压力约为2.9μN。石墨烯的这种承受能力非常地大[]，就是说若将石墨烯做成厚度约为100nm包装袋，则它就能承受约为2000公斤的物体。
（4）光学性质
石墨烯拥有独一无二的光学性能，在可见光范围内，Blake等人[]将石墨烯覆盖在几十个微米级的小孔上， 经白光照射后发现，约2.3%左右的可见光可以被单层石墨烯吸收。随着石墨烯层数的增加，这个吸收率也呈线性增加的趋势。如此高的吸收率使得石墨烯在透明电极领域存在很大的应用前景。那么2.3%的光学吸收率怎么得到的呢？研究表明这种特殊的光学吸收是因为石墨烯特殊的电子结构。根据对理想的二维狄拉克费米子的理论研究得出，它们的透光率是97.7%，这与石墨烯
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