粉体石墨烯材料的制备方法

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型蜂巢晶格结构的二维碳纳米材料。自2004年英国曼彻斯特大学安德烈·海姆(AndreGeim)团队采用微机械剥离法成功从高定向热解石墨中分离得到石墨烯以来,全球范围内掀起了一股石墨烯的研究热潮,也取得了相当多的创新性成果。特别是石墨烯材料基于其诸多优异的电学、热学和力学等物理化学性能,在新材料、催化、新能源、电子器件、医药、信息和环境等众多领域中展现出巨大的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料。石墨烯材料从宏观形貌上大致可分为薄膜石墨烯和粉体石墨烯两种。相比薄膜石墨烯来说,粉体石墨烯的研究更为广泛,目前市场上报道的有关规模化制备得到的石墨烯也大部分属于粉体石墨烯。众所周知,获得批量高质量石墨烯的方法是实现其实际应用价值的首要前提。因此,为了更好地帮助相关学科的研究人员和工程技术人员充分了解和掌握粉体石墨烯,本书详细介绍了粉体石墨烯的有关制备方法及性质。从方法上来看,粉体石墨烯的制备可分为自上而下和自下而上两类方法,具体包括气相化学沉积法、机械剥离法、氧化还原法、化学剥离法和超临界剥离法等。全书共分5章,具体分工如下:第1章由杨旺和唐禹疏编写,第2章由李永峰和李云编写,第3章由杨帆和张冰编写,第4章由田晓娟和段永丽编写,第5章由李永峰和陈卓编写。全书由李永峰统筹、修改并审核。在本书撰写过程中,编者所领导的新型碳材料研究室的全体同学协助完成了文献检索整理和图表设计,对于本书的编著做出了很大贡献,在此向他们表示感谢。此外,为了更加全面地反映粉体石墨烯的研究状况,本书整理和归纳了国内外同行的研究成果,并引用了大量的文献,在此也一并表示诚挚的谢意。本书涉及学科内容众多,尽管尽了很大努力,但由于作者水平及经验有限,难免存在疏漏和不当之处,敬请读者批评指正。李永峰2019年4月

本书详细介绍了粉体石墨烯的有关制备方法及性质,具体包括气相化学沉积法、机械剥离法、氧化还原法、化学剥离法和超临界剥离法等。此外,本书整理和归纳了国内外同行的研究成果,更加全面地反映粉体石墨烯的研究状况。本书可供粉体石墨烯相关学科的研究人员和工程技术人员使用,也可作为高等院校相关专业的参考用书。

李永峰，中国石油大学（北京）教授，博士生导师。研究方向为材料化工，主要从事石墨烯等二维材料的制备与应用研究。主持10多项国家和省部级项目，多项科研成果实现了产业化转化及工业化生产。获中国发明专利授权20项，其中5项专利实现产业化转化，在Nature Commun. J. Am. Chem. Soc. Chem. Eng. J等期刊上发表SCI论文180余篇。社会兼职包括北京市昌平区政协委员，中国颗粒学会第六、七届理事会理事，中国复合材料学会矿物复合材料专业委员会副主任，第七届石墨及石墨材料产业专业委员会理事等。

第 1 章 气相沉积法
1 .1 金属模板 CVD
1 .1 .1 金属镍颗粒模板
1 .1 .2 泡沫金属镍模板
1 .1 .3 纳米多孔镍模板
1 .1 .4 多孔铜模板
1 .1 .5 活泼碱金属模板
1 .2 氧化物模板 CVD
1 .2.1 氧化镁模板
1 .2.2 层状双金属氧化物模板
1 .2.3 过渡金属氧化物模板
1 .2.4 氧化锂模板
1 .2.5 氧化铝模板
1 .2.6 氧化硅模板
1 .3 天然模板 CVD
1 .3.1 贝壳模板
1 .3.2 墨鱼骨模板
1 .3.3 石英砂模板
1 .3.4 硅藻土模板
1 .4 其他模板 CVD
1 .4.1 硅颗粒模板
1 .4.2 氯化钠模板
1 .4.3 分子筛模板
1 .4.4 聚合物模板
1 .5 无模板 CVD
1 .6 生长机制
1 .6.1 基底形态
1 .6.2 生长温度和碳源类型
1 .6.3 生长动力学
1 .7 应用与展望
第 2 章 机械剥离法
2.1 微机械剥离法
2.1 .1 撕胶带法
2.1 .2 新型的微机械剥离法
2.1 .3 三辊研磨机剥离法
2.2 超声辅助液相剥离法
2.2.1 溶剂因素的影响
2.2.2 超声时间因素的影响
2.2.3 离心因素的影响
2.2.4 常用的表面活性剂
2.2.5 超声液相剥离具体实例
2.3 流体动力学法
2.3.1 涡流流体法
2.3.2 压力驱动流体力法
2.3.3 混合器驱动的流体动力
2.4 球磨
2.4.1 湿法球磨
2.4.2 干法球磨
第 3 章 氧化还原法
3.1 氧化石墨的制备方法
3.1 .1 Brodie 法
3.1 .2 Staudenmaier 法
3.1 .3 Hummers 法
3.1 .4 改进的 Hummers 法
3.1 .5 高超法
3.2 氧化石墨的结构
3.3 氧化石墨烯的制备
3.4 制备氧化石墨烯的影响因素
3.5 氧化石墨烯的还原方法
3.5 .1 高温热处理
3.5 .2 微波法
3.5 .3 光辐射还原
3.5 .4 化学试剂还原
3.5 .5 光触媒还原
3.5 .6 电化学还原
3.5 .7 溶剂热还原
3.5 .8 多步骤还原
3.6 氧化石墨烯还原程度的确定标准
3.6.1 宏观形貌
3.6.2 电导率
3.6.3 碳氧原子比
3.7 氧化石墨烯的还原机制
3.7.1 去除官能团
3.7.2 热还原
3.7.3 化学除氧
3.7.4 恢复长程共轭结构
3.7.5 缺陷恢复
3.7.6 高精度还原
3.8 总结和展望
第 4 章 化学剥离法
4.1 液相剥离法
4.1 .1 表征方法
4.1 .2 外力作用: 超声处理/剪切混合
4.1 .3 纯化: 离心
4.1 .4 溶剂体系
4.2 电化学剥离法
4.2.1 非水溶液电解质
4.2.2 水溶液电解质
4.3 热剥离技术
4.3.1 石墨氧化物的热剥离
4.3.2 石墨插层化合物的热剥离
4.4 其他化学剥离技术
第 5 章 超临界剥离法
5 .1 超临界流体概述
5 .1 .1 超临界流体快速膨胀
5 .1 .2 超临界反溶剂技术
5 .1 .3 超临界流体化学沉积
5 .1 .4 超临界 CO2 发泡
5 .1 .5 超临界干燥
5 .1 .6 小结
5 .2 超临界流体中插层剥离石墨制备石墨烯
5 .2.1 石墨原料的预处理 
5 .2.2 超临界流体插层过程 
5 .2.3 超临界流体剥离过程 
5 .2.4 重复插层 剥离过程 
5 .2.5 产品表征
5 .2.6 具体实施方案及其效果 
5 .2.7 优势和挑战 
5 .3 超临界流体中还原氧化石墨烯 
5 .4 总结 
参考文献
索引

本书详细介绍了粉体石墨烯的有关制备方法及性质,具体包括气相化学沉积法、机械剥离法、氧化还原法、化学剥离法和超临界剥离法等。此外,本书整理和归纳了国内外同行的研究成果,更加全面地反映粉体石墨烯的研究状况。本书可供粉体石墨烯相关学科的研究人员和工程技术人员使用,也可作为高等院校相关专业的参考用书。

李永峰，中国石油大学（北京）教授，博士生导师。研究方向为材料化工，主要从事石墨烯等二维材料的制备与应用研究。主持10多项国家和省部级项目，多项科研成果实现了产业化转化及工业化生产。获中国发明专利授权20项，其中5项专利实现产业化转化，在Nature Commun. J. Am. Chem. Soc. Chem. Eng. J等期刊上发表SCI论文180余篇。社会兼职包括北京市昌平区政协委员，中国颗粒学会第六、七届理事会理事，中国复合材料学会矿物复合材料专业委员会副主任，第七届石墨及石墨材料产业专业委员会理事等。