论文总字数：19712字

摘 要

石墨烯是近年来备受瞩目的科学前沿和热点研究材料，它因其出色的机械、电学、热学和光学性能引起了研究人员极大的兴趣。为了充分发挥石墨烯的优良性质，就需要对石墨烯进行功能化。这样不仅可以提高其溶解性，而且可以赋予石墨烯新的性质，使其在聚合物复合材料、光电功能材料与器件以及生物医药等领域有很好的应用前景。本文详细阐述了石墨烯的制备与还原，介绍了石墨烯功能化及其相关化学，并且研究了石墨烯与碳酸钴复合材料的磁性相比于复合之前发生的变化。最后对于石墨烯未来的发展趋势做出了展望。

关键词：石墨烯，功能化，碳酸钴，复合材料

Abstract

Graphene is a scientific frontier and hot research material in recent years. It has attracted great interest from researchers due to its excellent mechanical, electrical, thermal and optical properties. In order to give full usage to the excellent properties of graphene, it is necessary to functionalize graphene. This can not only improve its solubility, but also can give new properties of graphene, making it a good application prospect in polymer composite materials, optoelectronic functional materials and devices, and biomedicine and other fields. In this paper, the preparation and reduction of graphene are described in detail. The functionalization of graphene and its related chemistry are introduced. The magnetic properties of the graphene-cobalt carbonate before and after composite are compared. Finally, the prospects for the future development of graphene are forecasted.

KEY WORDS: Graphene, Functionalization, Cobalt carbonate, Composites

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 石墨烯 1

1.2 石墨烯的性质 2

1.2.1 力学特性 2

1.2.2 电学特性 2

1.2.3 石墨烯的能带结构 2

第二章 石墨烯的制备 4

2.1 氧化石墨烯（GO）的制备和特性 4

2.2 氧化石墨烯（GO）的还原 6

2.2.1 热还原法 6

2.2.2 化学还原 7

2.2.3 光催化还原 8

2.2.4 电化学还原 9

2.2.5 溶剂热还原 9

第三章 功能复合材料及其相关化学 11

3.1 共价功能化 11

3.2 非共价相互作用 13

3.3 石墨烯-聚合物复合材料 14

第四章 实验部分 16

4.1 实验目的 16

4.2 实验过程 16

4.3 结果分析 16

4.4 挑战和前景 20

致 谢 21

参考文献 22

绪论

石墨烯

碳材料是世界上最普通但也是最神奇的一种材料，它可以形成非常坚硬的金刚石，也可以形成柔软的石墨。石墨烯便是2004年才被发现的，一种由碳原子紧密堆积构成的新型二维平面纳米材料，其特殊的单原子层结构决定了它具有丰富而新奇的物理性质。它是人类已知强度最高、韧性最好、重量最轻、透光率最高、导电性也是最佳的材料。

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料。如图1.1-1所示，石墨烯的原胞由晶格矢量a1和a2定义，每个原胞内有两个原子，分别位于A和B的晶格上。C原子外层 3个电子通过sp²杂化形成强σ键（蓝），相邻两个键之间的夹角120°，第4个电子为公共，形成弱π键（紫）。石墨烯的碳-碳键长约为0.142nm，每个晶格内有三个σ键，所有碳原子的p轨道均与sp²杂化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一个离域π键，其贯穿整个石墨烯。

图 1.1-1 （a）石墨烯中碳原子的成键形式 （b）石墨烯的晶体结构

图1.1-2 石墨烯原子结构图及它形成富勒烯、碳纳米管和石墨示意图

如图1.1-2所示，石墨烯是富勒烯（0维）、碳纳米管（1维）、石墨（3维）的基本组成单元。可以看出，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂巢状的晶格结构。每个碳原子通过sp²杂化与周围碳原子构成正六边形，每一个六边形单元类似一个苯环，每一个碳原子都贡献一个未成键的电子，单层石墨烯的厚度仅为0.335nm，约为头发丝直径的二十万分之一。

石墨烯的性质

力学特性

在石墨烯二维平面内，每一个碳原子都以σ键与相邻的三个碳原子相连，这些C-C键使石墨烯具有良好的结构刚性。石墨烯是已知材料中强度和硬度最高的晶体结构，它的抗拉强度为125GPa，弹性模量为1.1TPa，理想石墨烯的强度约为普通钢的100倍。身为高强度又轻质的薄膜材料，石墨烯有望在航空航天等众多领域被广泛应用。

电学特性

石墨烯的每个晶格内有三个σ键，所有碳原子的p轨道均与sp²杂化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一个离域π键，其贯穿整个石墨烯。π电子在平面内可以自由移动,使石墨烯具有良好的导电性。由于原子间作用力非常强，常温下即使碳原子发生碰撞，石墨烯中的电子收到的干扰也小。石墨烯独特的结构使其具有室温半整数量子霍尔效应，双极性电场效应，超导电性，高载流子率等优异的电学性质，其载流子率在室温下可达到1.5×10⁴ cm²/（V·S），约为硅中电子迁移率的140倍。

图1.2-1 绝缘体，导体，半导体的能带结构

石墨烯的能带结构

当绝对零度下，半导体的价带是满带（完全被电子占据）。当受光电或热激发后价带中的部分电子（石墨烯的电子运动速度高达10⁶ m/s，是光速的1/300）越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，成为空穴。导带中的电子和价带中的空穴合称为电子-空穴对，则电子-空穴能自由移动成为自由载流子。它们在外电场作用下产生定向运动形成宏观电流，分别成为电子导电和空穴导电。

图1.2-2 石墨烯能带结构

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