石墨烯气凝胶的制备
石墨烯气凝胶是一种三维多孔材料，由于其优良的电学性能、极高的孔隙率、出色的力学性能及吸附性能，近年来引起了人们的高度关注。为了进一步探索其性能和制备出性能更加优良的气凝胶。本实验主要以聚多巴胺（PDA）为还原剂，以乙醇与、去离子水的混合溶液为溶剂来制备石墨烯水凝胶。通过改变氧化石墨烯（GO）浓度，PDA浓度及用量，乙醇的用量和反应温度等条件来控制石墨烯水凝胶的性能。用冷冻干燥法制备石墨烯气凝胶，再通过拉曼光谱、力学分析、电学分析、吸附性能分析和扫描电镜等方法对由实验制得的材料进行分析。结果表明，PDA浓度可影响水凝胶的含水量，氧化石墨烯浓度可决定水凝胶的致密程度，乙醇的比例影响水凝胶的含水量及体积，而反应温度决定水凝胶水凝胶的结构是否完整。制备的气凝胶有良好的导电性能、吸附性能以及力学性能。关键字：石墨烯，氧化石墨烯，多巴胺，石墨烯气凝胶 目录
第一章 绪论 1
1.1石墨烯概述 1
1.1.1石墨烯简介 1
1.1.2石墨烯的结构、性质及应用 1
1.1.3石墨烯的制备方法 3
1.1.3.1氧化还原法 3
1.1.3.2化学气相沉积法 3
1.1.3.3机械剥离法 3
1.1.3.4外延生长法 4
1.1.3.5电化学法 4
1.1.3.6其他方法 4
1.2氧化石墨烯 4
1.2.1氧化石墨烯的结构及性质 4
1.2.2氧化石墨烯的制备方法 5
1.2.2.1Hummers法 5
1.2.2.2Brodie法 6
1.2.2.3 Staudenmaier法 6
1.3水凝胶简介及性质 6
1.3.1水凝胶的分类 6
1.3.2水凝胶的性质及用途 7
1.4多巴胺简介 7
1.5气凝胶简介 8
1.6.石墨烯气凝胶的制备与应用 9
1.6.1石墨烯气凝胶的制备方法 9
1.6.1.1以高分子聚合物为粘结剂制备石墨烯气凝胶 9
1.6.1.2水热法制备石墨烯气凝胶 10
1.6.2石墨烯气凝
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的分类 6
1.3.2水凝胶的性质及用途 7
1.4多巴胺简介 7
1.5气凝胶简介 8
1.6.石墨烯气凝胶的制备与应用 9
1.6.1石墨烯气凝胶的制备方法 9
1.6.1.1以高分子聚合物为粘结剂制备石墨烯气凝胶 9
1.6.1.2水热法制备石墨烯气凝胶 10
1.6.2石墨烯气凝胶的应用 10
1.6.2.1在吸附领域的应用 10
1.6.2.2在储能领域的应用 11
1.6.2.3在催化领域的应用 11
第二章 实验部分 12
2.1实验仪器与原材料 12
2.1.1实验仪器 12
2.1.2实验原料与试剂 12
2.2氧化石墨烯（GO）的制备与表征 13
2.2.1氧化石墨烯的制备 13
2.2.2氧化石墨烯的表征方法 14
2.2.2.1拉曼光谱（Raman）表征 14
2.2.2.2XRD表征 14
2.3石墨烯水凝胶的制备 14
2.3.1水凝胶的制备方法 14
2.3.2水凝胶的条件优化 15
2.4石墨烯气凝胶的制备与表征 15
2.4.1石墨烯气凝胶的制备 15
2.4.2石墨烯气凝胶性能表征 16
2.4.2.1力学性能表征 16
2.4.2.2电学性能表征 16
2.4.2.3吸附性能测试 16
2.4.2.4扫描电镜（SEM）测试 16
第三章 实验表征结果与讨论 17
3.1氧化石墨烯拉曼检测 17
3.2氧化石墨烯XRD检测 17
3.3反应温度对水凝胶结构的影响 18
3.4 GO浓度对水凝胶结构的影响 19
3.5 PDA浓度对水凝胶结构的影响 20
3.6不同乙醇比例对水凝胶结构的影响 21
3.7对石墨烯气凝胶的结构表征 22
3.7.1石墨烯气凝胶扫描电镜测试 22
3.7.2对气凝胶力学性能的表征 23
3.7.3气凝胶电学性能表征 23
3.7.4气凝胶吸附性能的表征 24
总结 26
致谢 28
参考文献 29
第一章 绪论
1.1 石墨烯概述
1.1.1 石墨烯简介
石墨烯（Graphene）是一种具有二维平面结构的碳材料，根据其堆叠方式及片层厚度可分为三类，既单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯[1]。石墨烯一直被认为是不能稳定存在的物质，直至2004年物理学家在实验中成功地从石墨中分离出石墨烯，从而证明了石墨烯是可以单独存在的。他们从石墨中得到石墨薄片，用一种特殊的两面粘在一起的胶带粘在石墨片上，撕开胶带将石墨片一分为二，不断地进行这样的操作，使石墨片越来越薄，最后得到了仅有一层碳原子组成的石墨烯。在此之后越来越多的科学家投入到了对石墨烯的研究当中，制备石墨烯的新方法也就不断地诞生了出来，仅仅经过5年的发展，石墨烯的制备方法已经基本趋近于成熟，人们也发现，将石墨烯以工业化的形式生产已渐渐成为了可能。科学界因为石墨烯的出现而激起了巨大的波澜，因为人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能，超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。在传统的半导体和导体中，由于电子在迁移的过程中会与原子发生碰撞，一部分电能会以热能的形式被损耗掉。而石墨烯的表现远比传统材料（例如硅和铜等）表现的好，其具有极高的电子迁移效率，在电子的传递过程中基本不会有能量的损耗，这就使其具有了非比寻常的优良特性。
1.1.2 石墨烯的结构、性质及应用
石墨烯及其衍生物的结构如图1.1。石墨烯中相邻的三个碳原子以σ键相互连接，键角均为120ｏ, 相邻的两个C之间的距离为 0.187 nm[2]。石墨烯极高的力学性能正是源于这种结构，它的这种结构将使其在结构材料中得到广泛的应用。石墨烯的力学格外优异，哥伦比亚大学的一个研究小组[1]曾做过测试，如果将1μm的石墨烯完全破坏大概需要55N的力，在已知的材料中石墨烯是强度和硬度最高的，抗拉强度为125 GPa，弹性模量为1.1 TPa，其比表面积为2630 m2/g；厚度为0.334 nm（约为头发直径的二十万分之一）。因此，石墨烯可以作为增强剂在材料的改性方面得到应用。
图1.1 石墨烯及其衍生物的结构模型
石墨烯的热学性能也十分出色，作为一种二维材料其在高温下仍然能保持原有形态，这主要归因于其规律的结构。另外石墨烯的热导率高达5300Wm1K1，是铜的13倍。
在垂直石墨烯片层的方向上存在剩余的P轨道电子，这些电子轨道相互重叠在石墨烯
第一章 绪论 1
1.1石墨烯概述 1
1.1.1石墨烯简介 1
1.1.2石墨烯的结构、性质及应用 1
1.1.3石墨烯的制备方法 3
1.1.3.1氧化还原法 3
1.1.3.2化学气相沉积法 3
1.1.3.3机械剥离法 3
1.1.3.4外延生长法 4
1.1.3.5电化学法 4
1.1.3.6其他方法 4
1.2氧化石墨烯 4
1.2.1氧化石墨烯的结构及性质 4
1.2.2氧化石墨烯的制备方法 5
1.2.2.1Hummers法 5
1.2.2.2Brodie法 6
1.2.2.3 Staudenmaier法 6
1.3水凝胶简介及性质 6
1.3.1水凝胶的分类 6
1.3.2水凝胶的性质及用途 7
1.4多巴胺简介 7
1.5气凝胶简介 8
1.6.石墨烯气凝胶的制备与应用 9
1.6.1石墨烯气凝胶的制备方法 9
1.6.1.1以高分子聚合物为粘结剂制备石墨烯气凝胶 9
1.6.1.2水热法制备石墨烯气凝胶 10
1.6.2石墨烯气凝
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的分类 6
1.3.2水凝胶的性质及用途 7
1.4多巴胺简介 7
1.5气凝胶简介 8
1.6.石墨烯气凝胶的制备与应用 9
1.6.1石墨烯气凝胶的制备方法 9
1.6.1.1以高分子聚合物为粘结剂制备石墨烯气凝胶 9
1.6.1.2水热法制备石墨烯气凝胶 10
1.6.2石墨烯气凝胶的应用 10
1.6.2.1在吸附领域的应用 10
1.6.2.2在储能领域的应用 11
1.6.2.3在催化领域的应用 11
第二章 实验部分 12
2.1实验仪器与原材料 12
2.1.1实验仪器 12
2.1.2实验原料与试剂 12
2.2氧化石墨烯（GO）的制备与表征 13
2.2.1氧化石墨烯的制备 13
2.2.2氧化石墨烯的表征方法 14
2.2.2.1拉曼光谱（Raman）表征 14
2.2.2.2XRD表征 14
2.3石墨烯水凝胶的制备 14
2.3.1水凝胶的制备方法 14
2.3.2水凝胶的条件优化 15
2.4石墨烯气凝胶的制备与表征 15
2.4.1石墨烯气凝胶的制备 15
2.4.2石墨烯气凝胶性能表征 16
2.4.2.1力学性能表征 16
2.4.2.2电学性能表征 16
2.4.2.3吸附性能测试 16
2.4.2.4扫描电镜（SEM）测试 16
第三章 实验表征结果与讨论 17
3.1氧化石墨烯拉曼检测 17
3.2氧化石墨烯XRD检测 17
3.3反应温度对水凝胶结构的影响 18
3.4 GO浓度对水凝胶结构的影响 19
3.5 PDA浓度对水凝胶结构的影响 20
3.6不同乙醇比例对水凝胶结构的影响 21
3.7对石墨烯气凝胶的结构表征 22
3.7.1石墨烯气凝胶扫描电镜测试 22
3.7.2对气凝胶力学性能的表征 23
3.7.3气凝胶电学性能表征 23
3.7.4气凝胶吸附性能的表征 24
总结 26
致谢 28
参考文献 29
第一章 绪论
1.1 石墨烯概述
1.1.1 石墨烯简介
石墨烯（Graphene）是一种具有二维平面结构的碳材料，根据其堆叠方式及片层厚度可分为三类，既单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯[1]。石墨烯一直被认为是不能稳定存在的物质，直至2004年物理学家在实验中成功地从石墨中分离出石墨烯，从而证明了石墨烯是可以单独存在的。他们从石墨中得到石墨薄片，用一种特殊的两面粘在一起的胶带粘在石墨片上，撕开胶带将石墨片一分为二，不断地进行这样的操作，使石墨片越来越薄，最后得到了仅有一层碳原子组成的石墨烯。在此之后越来越多的科学家投入到了对石墨烯的研究当中，制备石墨烯的新方法也就不断地诞生了出来，仅仅经过5年的发展，石墨烯的制备方法已经基本趋近于成熟，人们也发现，将石墨烯以工业化的形式生产已渐渐成为了可能。科学界因为石墨烯的出现而激起了巨大的波澜，因为人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能，超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。在传统的半导体和导体中，由于电子在迁移的过程中会与原子发生碰撞，一部分电能会以热能的形式被损耗掉。而石墨烯的表现远比传统材料（例如硅和铜等）表现的好，其具有极高的电子迁移效率，在电子的传递过程中基本不会有能量的损耗，这就使其具有了非比寻常的优良特性。
1.1.2 石墨烯的结构、性质及应用
石墨烯及其衍生物的结构如图1.1。石墨烯中相邻的三个碳原子以σ键相互连接，键角均为120ｏ, 相邻的两个C之间的距离为 0.187 nm[2]。石墨烯极高的力学性能正是源于这种结构，它的这种结构将使其在结构材料中得到广泛的应用。石墨烯的力学格外优异，哥伦比亚大学的一个研究小组[1]曾做过测试，如果将1μm的石墨烯完全破坏大概需要55N的力，在已知的材料中石墨烯是强度和硬度最高的，抗拉强度为125 GPa，弹性模量为1.1 TPa，其比表面积为2630 m2/g；厚度为0.334 nm（约为头发直径的二十万分之一）。因此，石墨烯可以作为增强剂在材料的改性方面得到应用。
图1.1 石墨烯及其衍生物的结构模型
石墨烯的热学性能也十分出色，作为一种二维材料其在高温下仍然能保持原有形态，这主要归因于其规律的结构。另外石墨烯的热导率高达5300Wm1K1，是铜的13倍。
在垂直石墨烯片层的方向上存在剩余的P轨道电子，这些电子轨道相互重叠在石墨烯
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