Восстановленный оксид графена: получение, строение, свойства

• Автор: Ткачев, Сергей Викторович
• Шифр специальности: 02.00.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 132 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Графит и его соединения

1.1.1 Углерод, модификации, графит

1.1.2 Кристаллохимия графита структура, дефекты

1.1.3 Физические и химические свойства графита

1.1.4 Интеркалированные соединения графита бисульфат графита

1.1.5 Окисленный графит

1. 1.6 Пенографит

1.1.7 Ковалентные соединения графита оксид графита IX

1.1.8 Оксид графена

1.2 анографит
1.3 Графен
1.3.1 Структура графена
1.3.2 Терминология что же понимают под терминами графен и восстановленный оксид графена
1.3.3 Методы получения графена и его аналогов
1.3.3.1 Микромеханическое отшелушивание слоев графита метод Новоселова метод скотча
1.3.3.2 Методы получения однослойного графена
1.3.3.3 Послойное расщепление графита в жидкостях при
действии ультразвука
1.3.3.4 Графитизация поверхности металлов
1.3.3.5 Графитизация поверхности С при испарении кремния
1.3.3.6 Получение графена при разрезании нанотрубок
1.3.3.7 Методы съема с подложек графигизированных нанослоев,
их стабилизация и перенос на другие поверхности
1.3.3.8 Получение графена и его аналогов из оксида графита
1.3.3.9 Восстановление чешуек оксида графена
1.3.4 Методы характеризации графена
1.3.5 Физические характеристики графена
1.3.6 Химия графена и его аналогов
1.3.7 Устройства на основе графена углеродная электроника применения графена
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Исходные материалы
2.2 Методики
2.2.1 Методики получения дисперсии нанографита
2.2.1.1 Методика диспергирования графита в органических
растворителях
2.2.1.2 Методика диспергирования фафита в воде
2.2.2 Методика получения оксида графита из графита
2.2.3 Методика получения оксида графена
2.2.4 Методика модифицированния оксида графена ионами
металлов , 2, 2, 3, i
2.2.5 Методика получения восстановленного оксида графена
2.2.6 Методика получения дисперсии восстановленного оксида графена в различных растворителях
2.2.7 Методика нанесения дисперсии на кремниевые пластины методом ii
2.3 Методы исследования
3 РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
3.1 Изучение процесса диспергирования графита в органических растворителях и воде как возможный путь получения дисперсии графена
3.2 Получение оксида графита
3.3 Получение оксида графита
3.4 Оксид графена как полифункциональный лиганд
3.5 Восстановление оксида графена как метод получения графена
4 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
5 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ
Список используемых сокращений
ВОПГ высокоориентированный пиролитический графит Гр графит Г графен
ИСГр интеркалированное соединение фафита
БГр бисульфат графита
КСГр ковалентные соединения графита
ОГр окисленный графит
ПГр пенографит
ГрО оксид графита
сГрО однослойный оксид рафита
ГО оксид графена
мсГО многослойный оксид графена
ВГО восстановленный оксид графена
1сГ однослойный графен
мсГ многослойный графен пластинки толщиной в несколько графеновых слоев
ХВГ химически восстановленный графен
СК сверхкритический
СКФ сверхкритический флюид
СКИ сверхкритический изопропанол
УЗ ультразвук
РФ А рентгенофазовый анализ
РФЭС рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия ИКспектросконпи инфракрасная спектроскопия КРспектроскопия спектроскопия комбинационного рассеяния Раманспектроскопия
СЭМ сканирующая электронная микроскопия АСМ атомносиловая микроскопия СТМ сканирующую туннельную микроскопию ПЭМ просвечивающая электронная микроскопия
ВВЕДЕНИЕ


Изложены основные методики а получения нанографита, а именно, методики диспергирования природного графита в растворителях различной природы под действием мощного ультразвука УЗ б получения оксида графита и оксида графена, а также дисперсий на их основе в модифицирования оксида графена ионами металлов , 2 2 , , i3 г получения восстановленного оксида графена, в том числе, восстановленного оксида 1рафена, модифированного ионами металлов д получения дисперсий восстановленного оксида графена в различных растворителях е нанесения дисперсии на кремниевые пластины методом ii. Представлены методики исследования свойств полученных соединений и материалов, обозначен спектр методов физикохимического анализа образцов рентгенофазовый анализ РФА, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия РФЭС, атомносиловая микроскопия АСМ, сканирующая электронная микроскопия СЭМ, просвечивающая электронная микроскопия ПЭМ, ИКспектроскопия и спектроскопия комбинационного рассеяния Раманспекгроскопия, динамическое рассеяние света, элементный С,II,Манализ, хроматомассспектрометрия др. В третьей главе изложены экспериментальные результаты и их обсуждение. Графит изучается давно и его свойства и характеристики подробно описаны в многочисленных монографиях и справочниках 3, 4. Ниже приводится то, что необходимо для понимания особенностей графена и родственных наноформ углерода. Свободный углерод в природе встречается в двух основных видах алмаз и графит, а среди синтетических видов следует отметить карбин, фуллсрен, нанотрубки, пиролитический графит и др. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углеродного атома принимать тетраэдрическую я3 алмаз, тригональную 2 графит, фуллерен, нанотрубки или линейную Бр карбин гибридизации 3, 4. Графит является наиболее устойчивой при нормальных условиях модификацией углерода. Обычный графит представляет собой пластинчатые массы с металлическим блеском, обладающие различной степенью кристалличности и упорядоченности, отдельные частички которых выглядят почти совершенными кристаллами 4. Оптимальным материалом для изучения физикохимических свойств графита и его соединений являются кристаллы высокоориентированного пиролитического графита ВОПГ, которые получают разложением углеводородов на графитовом субстрате при температуре свыше С. Этот процесс позволяет получать кристаллиты с плотностью 2,2 гсм3, ось с в
которых преимущественно ориентирована перпендикулярно субстрату угол разориентации . Для повышения регулярности в кристалле используют рекристаллизацию, подразумевающую горячее прессование под одноосевым давлением кгсм2 при С. Таким способом получают образцы толщиной более мм вдоль оси с и плотностью 2,6 гсм3, что составляет , от теоретической плотности графита. Последующий отжиг материала при С приводит к получению высокоориентированного пиролитического графита с углом разориентации около 0, и размером пластин несколько мм как вдоль оси а, так и вдоль оси с 5. Графит слоистая структура атомы углерода образуют слои, состоящие из сопряженных шестиугольников. Взаимодействие между слоями осуществляется слабыми Вандерваальсовыми связями, энергия связи составляет кДжмоль при С. Атомы углерода в слое образуют сетку правильных гексагонов с расстоянием СС 1,5 А, энергия связи 7 кДжмоль при С 6. Таким образом, энергия связи СС в слое более чем в десять раз превышает энергию взаимодействия между слоями, что во многом обусловливает как физические и химические свойства графита, так и возможность внедрения в межслоевое пространство и разделение на отдельные 1рафеновые слои. Электронная конфигурация изолированного углеродного атома в кристаллической решетке графита 1з2р2. Электроны 1э2 уровня находятся на внутренней оболочке, оставшиеся четыре электрона валентные. В графите 2б, 2рх и 2ру электроны образуют 3 яр2 гибридизованные орбитали, расположенные под углом 0 относительно плоскости слоев, перекрывание которых обуславливает освязь между атомами углерода в слое графита. С другой стороны, 2рг электроны образуют делокализованную тгорбиталь, которая стабилизирует связь атомов в слое, делая ее прочнее, чем одинарная ковалентная СС связь 7.