[01668904]石墨氧化—还原过程中产物的结构、性能表征与石墨烯材料制备技术研究

1.课题来源与背景 该项目为自选项目。该项目相关研究得到了如下支持： “石墨烯制备过程中的晶体化学研究”（西南科技大学博士基金项目,编号：11zx7135,经费6万元,2011.01～2013,已验收）; “石墨氧化和再还原过程中结构的演变与表征研究”（国家自然科学基金项目,批准号：41272051,经费80万元,2013.01～2016.12）。 2. 技术原理及性能指标 （1）微晶石墨制备微晶膨胀石墨,膨胀倍数达到了150倍,比表面积为374 m2/g,电阻率为1×10-2Ω?m; （2）利用鳞片石墨制备的大片氧化石墨烯的片径达到50μm,厚度为单层; （3）氧化石墨烯气敏元件对湿度、乙醇、氨气、甲烷、氢气的灵敏度分别达到83.7%、57.6%、80.5%、81.1%、77.2%,检测限分别达到45%、100ppm,1000ppm、500ppm、1000ppm; （4）三维还原氧化石墨烯作为超级电容器电极材料其比电容量可达310Fog-1以上,1000次循环后电容保持率达91%;三维聚苯胺/还原氧化石墨烯纳米复合材料作为电极材料其比电容量可达710 Fog-1以上,1000次循环后电容保持率接近90%。 3.技术的创造性与先进性 该项目通过上述研究获得了大量的数据,取得了重要的创造性和先进性研究成果。主要有如下方面： （1）获得了7方面的关键技术：简化Hummers法制备氧化石墨的工艺技术;小鳞片和微晶（土状）石墨制备膨胀石墨的工艺技术;用天然鳞片状石墨制备大片径氧化石墨烯和还原氧化石墨烯的工艺技术;三维还原氧化石墨烯和三维聚苯胺/还原氧化石墨烯纳米复合材料制备工艺技术;TiO2/还原氧化石墨（烯）纳米复合材料制备工艺技术;不同氧化和还原程度氧化石墨烯气敏元件的制备工艺技术;三维还原氧化石墨烯和三维聚苯胺/还原氧化石墨烯纳米复合材料超级电容器工作电极的制备工艺。 （2）具有如下5点创新性：微晶（土状）石墨制备膨胀微晶石墨的工艺技术;天然鳞片状石墨制备大片径氧化石墨烯和还原氧化石墨烯的工艺技术;三维石墨烯/聚苯胺纳米复合材料制备工艺技术;TiO2/还原氧化石墨烯纳米复合材料关键技术;石墨-氧化石墨三维结构和氧化石墨烯-石墨烯二维结构演变模型。 4.技术的成熟程度,适用范围和安全性 ① 氧化石墨制备工艺技术主要应用于生产可膨胀石墨、氧化石墨、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯及其它们的复合材料; ② 小鳞片和微晶（土状）石墨制备膨胀石墨的工艺技术主要应用于制备鳞片状膨胀石墨和微晶膨胀石墨及其膨胀石墨深加工产品等; ③ 三维还原氧化石墨烯和三维聚苯胺/还原氧化石墨烯纳米复合材料制备工艺技术主要应用于新型电池材料和超级电容器材料及导电、储热等纳米功能材料与新型碳材料等; ④ TiO2/还原氧化石墨（烯）纳米复合材料制备工艺技术主要应用于新型纳米复合材料、新型抗菌和降解材料等。 该项目推广应用的条件应具备如下三个方面： ① 具有纯度较高的石墨资源; ② 生产企业具有较高的管理、运营和技术开发能力。 由于该项目瞄准石墨烯新型材料和纳米材料领域,因而具有良好的推广应用前景。 5.社会经济效益,存在的问题 项目研究成果,为石墨的矿物学和晶体化学研究、应用矿物学和矿物材料加工技术研究及新型碳材料－石墨烯材料研究和开发利用奠定了良好的理论和实验技术基础;丰富了石墨矿物学的研究内容,对氧化－还原法制备石墨烯材料及产品的深度开发具有重要的借鉴意义;为我国利用天然矿物及其优良性能通过深度加工制备高附加值高技术新材料的基础与应用基础研究建立了示范;该研究成果可为以石墨为原料通过氧化－还原法大规模生产石墨烯材料及开发石墨深度加工产品的高技术应用开发等提供新技术支撑,对促进石墨矿物学、应用矿物学和矿物材料学研究及石墨烯材料生产和行业科技进步,以及石墨烯材料的大规模推广应用具有重要的理论和实际意义。 6.历年获奖情况 无。 7.成果简介要 系统研究了不同产地石墨的矿物学特征,以及石墨在氧化和再还原过程中产物结构、性能的演变规律及机理。突破了天然鳞片状石墨制备大片氧化石墨烯、微晶和小鳞片石墨制备膨胀石墨及三维聚苯胺/还原氧化石墨烯材料的工艺技术;建立了石墨氧化－还原过程中三维结构的演变模型;揭示了在氧化－还原过程中产物成分、结构和性能的演变机理。通过采用氧化法制备氧化石墨、可膨胀石墨、氧化石墨烯及烷基季铵盐/氧化石墨烯复合材料,还原法制备还原氧化石墨烯、对苯胺接枝还原氧化石墨烯、TiO2/还原氧化石墨烯及三维还原氧化石墨烯和三维聚苯胺/还原氧化石墨烯材料。膨胀微晶石墨的膨胀倍数达到150倍,比表面积达374m2/g;大片氧化石墨烯的片径达到50μm以上;三维聚苯胺/还原氧化石墨烯作为超级电容器材料其比电容量达到712 Fog-1以上,1000次循环后电容保持率达88%。