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石墨烯缺陷及其形成原因

2016-09-12 09:57来源:烯碳资讯关键词:石墨烯石墨烯缺陷石墨烯产业收藏点赞

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除金属原子外,由于强氧化剂导致的面外杂原子引入缺陷则是一种使石墨烯原有性质(如电性质,力学性质,分子组装性质)发生更大变化的缺陷。一般来说,这样的缺陷杂原子为氧原子或者羟基、羧基等含氧官能团。这种缺陷来源于石墨烯的一类制备方法—Hummers 法。此方法源于Hummers 对于氧化石墨制备方法的研究,虽然后期有很多研究者针对石墨烯对此方法进行了改进,但基本工艺路线类似:使用强氧化剂(如浓硫酸,浓硝酸,高锰酸钾等)对石墨进行处理,石墨片层在强氧化剂作用下被剥离并带上含氧官能团后,利用还原方法(如热还原,还原剂处理等)对含氧官能团进行消除,从而达到制备石墨烯的目的。

图1-8 给出了经强氧化剂处理后,带有杂原子氧引入缺陷的石墨烯结构图。经强氧化剂制备处理后得到的含有氧官能团的石墨烯,在水中分散性很好,这点与石墨烯有很大不同,基于这种材料的特殊性和广泛的应用前景,这种材料有自己另外的名称—氧化石墨烯。

事实上,石墨烯上被引入的氧原子在后续还原过程中很难被完全脱除,无论热还原还是使用还原剂,最终制备出的石墨烯总会含有一定量的残余氧,这些氧的含量及存在形式可以使用光电子能谱表征出来。进一步对还原后氧化石墨烯的拉曼光谱研究显示:还原后的氧化石墨烯代表缺陷结构的峰ID与代表规整石墨烯的峰IG比值基本没有变化,甚至比值增大。这意味着还原处理后,石墨烯缺陷相对含量没有变化甚至含量增加,这是由于氧原子脱除时会同时脱除碳原子形成空洞,造成本征缺陷所致。

面内杂原子取代缺陷

一些原子如氮、硼等,可以形成三个化学键,因此可以取代石墨烯中碳原子的位置,这些杂原子构成了石墨烯面内杂原子取代缺陷。图1-9 展示了拥有这样缺陷的石墨烯分子结构模型。当然,通过方法控制,不但能使石墨烯中单独存在氮或者硼缺陷,还可以让其同时存在。

事实上,氮原子和硼原子是研究者通过方法控制故意引入到石墨烯中的,这样做的原因是:研究发现拥有氮和硼杂原子缺陷的石墨烯在催化活性和导电性等方面性质优异。

原标题:石墨烯的缺陷及其形成原因
投稿与新闻线索:陈女士 微信/手机:13693626116 邮箱:chenchen#bjxmail.com(请将#改成@)

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