功能化氧化石墨烯的合成及其应用研究

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1、SynthesisandapplicationofFunctionalizedGrapheneOxideThesisSubmittedtoNanjingUniversityofPostsandTelecommunicationsfortheDegreeofMasterofEngineeringByDUZhuzhuSupervisor:Prof.XIELinghaiFebruary2014万方数据南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他

2、人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。研究生签名：_____________日期：____________南京邮电大学学位论文使用授权声明本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档；允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。本文电子文档的

3、内容和纸质论文的内容相一致。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院办理。涉密学位论文在解密后适用本授权书。研究生签名：____________导师签名：____________日期：_____________万方数据摘要石墨烯是由碳原子堆积而成的单层的二维蜂窝状碳材料，也是构成其他维数碳同素异形体材料的基本单元。由于具备独特的电学、光学、热力学等物理性能，在光电子等领域有着广泛的应用前景，所以石墨烯材料受到了科学工作者的广泛关注。氧化石墨烯是通过化学氧化剥离石墨而制备的，由于它具有成本低、可规模化制备的优点而成为最受欢迎最具应用前景的石墨烯前驱体。同时

4、，氧化石墨烯片层含有丰富的含氧官能团，增加了后修饰的反应位点，便于后续液相加工和功能化后修饰，调节石墨烯材料的物理和化学性能。功能化氧化石墨烯的出现，丰富了石墨烯材料的种类，也拓宽了石墨烯材料的研究领域。因而本论文的工作聚焦于氧化石墨烯材料的功能化修饰，并探讨功能化石墨烯材料的电学性能。首先我们探讨了氧化石墨烯的可控还原对材料电学性能的影响。氧化石墨烯的含有丰富的含氧官能团，但是不同的还原方法保留的含氧官能团的种类和数量有所差异，因而表现出的物理性能有很大的不同。如何可控的对氧化石墨烯进行还原，并探讨还原前后材料的性能差异，具有很大的研究价值。为此，我们通过有

5、机合成上经典的银盐的催化脱羧反应，实现了氧化石墨烯可控的脱羧还原，在保持其他含氧官能团的含量基本不变的同时，还保留了氧化石墨烯良好的液相分散能力。最后，我们通过湿法加工的办法，成功的将选择性还原后的氧化石墨烯材料应用于晶体管储存器中，结果表明由该材料做成的晶体管器件比直接用氧化石墨烯做成的晶体管器件，表现出更大的存储窗口和更好的稳定性。其次，我们制备了两亲性的石墨烯材料。氧化石墨烯由于丰富的含氧官能团而可以很好分散在水中，但是该材料难以分散在其它有机溶剂中且导电性很差，严重阻碍了该材料在高分子复合材料中的应用。为了克服上述问题，很多课题组对在氧化石墨烯片层接上

6、了大分子或者聚合物，然后再对修饰后的氧化石墨烯进行还原，得到具有良好亲油性的功能化石墨烯材料，并将其做为导电剂成功的引入到高分子复合材料中。但是，由此制备的功能化石墨烯材料，往往只能单一的溶于有机相或者水相中，难以实现具有两亲性的应用。另一方面，对氧化石墨烯的功能化大都是在有机溶剂中进行的，所以操作都较为繁琐不够环保。所以在本论文中，我们选用5,6-二氨基-2,3-二氰基吡嗪作为功能化试剂，多聚磷酸作为催化剂，在室温水相的条件下对氧化石墨烯进行杂环功能化，再用肼还原，得到具有两亲性的石墨烯。由此得到的杂环功能化石墨烯能够很好的分散在水和常用的甲醇、N,N-二甲

7、基甲酰胺等有机溶剂中，在高分子复合材料和微纳器件领域具有潜在应用。最后，我们制备了自由基功能化的石墨烯材料，并将该材料用作锂离子电池的负极。由于自由基和石墨烯之间通过强的共价键链接，从而有效的阻止了自由基在充放电过程中溶解I万方数据于电解液。同时，这也将石墨烯和自由基的储锂能力有效的整合，结合石墨烯大的比表面积和良好的导电性，使该材料表现出高的电化学储锂性能。具体表现在，高的电容值(400次充-1放电循环后，电容值还可以保持在1080mAhg，是石墨电容值的3倍多)、长的循环性能(400-1次)以及良好的倍率性能(在400、800、2000和5000mAg电流

8、密度下，经过625、1317、4190