目录
第一章文献综述 (1)
1.1前言 (1)
1.2.1机械剥离法 (6)
1.2.2氧化还原法 (6)
1.2.3化学气相沉积法(CVD法) (7)
1.2.4电化学剥离法 (9)
1.2.5球磨法 (9)
1.2.6其他方法 (10)
1.3石墨烯的表征 (11)
1.3.1原子力显微镜（AFM） (12)
尊龙名社1.3.2拉曼光谱 (13)
1.4一维石墨烯的制备以及应用 (14)
1.4.1石墨烯纤维的制备 (14)
1.4.2石墨烯纤维的应用 (17)
1.5二维石墨烯的制备以及应用 (20)
1.5.1二维石墨烯的制备 (20)
1.5.2二维石墨烯的应用 (24)
1.5.3二维石墨烯复合材料的制备与应用 (25)
1.6本课题的研究目的和意义 (28)
第二章一维石墨烯纤维的制备及其在可穿戴储能领域的应用 (29)
2.1实验试剂与仪器 (29)
2.2实验步骤 (30)
2.2.1蚕丝的清洗预处理 (30)
2.2.2氧化石墨烯的制备 (30)
2.2.3石墨烯纤维的制备和纤维电容器的组装 (31)
2.2.4电化学性能测试 (31)
2.3结果与讨论 (32)
2.3.1空心石墨烯纤维的制备与扫描图像表征 (32)
2.3.2天然蚕丝，氧化石墨烯蚕丝复合物以及空心石墨烯纤维的表征 (35)
2.3.3空心石墨烯纤维的机械性能表征 (36)
2.3.4空心石墨烯纤维的电学性能测试 (38)
2.3.5空心石墨烯纤维组装的超级电容器的电化学性能表征 (39)
2.4本章小结 (42)
第三章二维CVD石墨烯复合材料的制备以及其在温敏型智能器件的应用 (43)
3.1 实验试剂与仪器 (43)
3.2 实验步骤 (44)
3.2.1 CVD石墨烯的制备与转移 (44)
3.2.2 合成RAFT试剂CEPT (44)
崔亚东事件最新进展3.2.3 合成一端带有芘官能团的RAFT试剂 (45)
3.2.4 合成一端带有芘官能团的温敏性聚合物PNIPAAm (46)
3.2.5 通过π-π作用制备CVD石墨烯-聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)复合物薄膜以及其温敏性测试 (47)
3.3 结果与讨论 (47)
3.3.1 利用一端含有芘官能团的RAFT试剂合成一端带有芘官能团的聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm） (47)
3.3.2 合成CVD石墨烯和CVD石墨烯/PNIPAAm复合薄膜的拉曼光谱 (51)
3.3.3 合成CVD石墨烯和CVD石墨烯/PNIPAAm复合薄膜的AFM分析 (52)
3.3.4 合成CVD石墨烯和CVD石墨烯/PNIPAAm复合薄膜的XPS分析 (53)
qpso3.3.5 CVD石墨烯/PNIPAAm复合薄膜的扫描电子显微镜（SEM）分析 (55)
3.3.6 CVD石墨烯/PNIPAAm复合薄膜的温敏性测试 (55)
光福7号
3.3.7 利用温敏性CVD/PNIPAAm复合物薄膜制备温敏性开关实现对LED灯电路的控制 (57)
3.4 本章小结 (58)
结论 (59)
参考文献 (60)
攻读学位期间的研究成果 (74)
致谢 (75)
学位论文独创性声明以及学位论文知识产权权属声明 (76)
第一章文献综述
第一章文献综述
1.1前言
碳元素作为一种非金属元素，是构成了氨基酸，蛋白质，脂肪和糖类等自然界动植物生命体的必要元素。从远古时代人类利用燃烧木材等植物照明，取暖，烹煮食物就是人类对碳材料的最早应用。动植物等有机生命体在特殊情况下被埋葬与地下亿万年以后就变成了含有丰富碳元素的化石燃料，煤，石油，天然气等。人类对化石燃料的使用，创造出了工业革命的一系列的伟大成就，极大的促进了人类
文明的进步，科学技术的发展和生活水平的提高。尤其是近一个世纪多以来，人类对碳材料的研究取得了很大的进展，人们对碳材料的认识也在不断加深。首先是十八世纪认识到石墨和金刚石都是单质碳，是碳的同素异形体。然后是到1924年人们逐渐认识到石墨的层状结构，这一发现也为后期石墨烯的发现提供了理论可能。
20世纪80年代纳米材料科学研究进入了一个黄金时期。1985年“足球烯”-富勒烯[1]的发现轰动整个科学界，人们对碳材料的研究进入快速发展。1991年，碳纳米管[2,3]-一种完全由碳原子构成的完美管状纳米结构被日本科学家发现，并且证实了其许多独特优良的力学性能，电学性能和稳定的化学性能。这一重大发现又一次极大的推动了人类对碳材料的认识，刺激了人们对碳材料潜在应用研究的浓厚兴趣[4-6]。
图 1.1 三维的金刚石的结构，三维的石墨的结构，二维石墨烯的结构，一维碳纳米管的结
构，零维富勒烯的结构
Figure 1.1 The structure of 3D diamond，graphite，2D graphene, 1D canbon nanotube and
0D fullerene
2004年，石墨烯被来自英国曼彻斯特大学的两位物理学家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）发现，两位科学家通过微机械剥离法制的了单层的石墨烯[7]。石墨烯的问世在科学界引起了巨大的轰动，同时将石墨烯的研究推向高潮。两位科学家也因发现石墨烯这一卓越贡献获得了2010年的诺贝尔物理学奖。石墨烯的发现之所以有如此大的影响力，
首先是因为零维的富勒烯，一维的碳纳米管和三维的石墨，金刚石等碳材料的先后发现，人们一直期待制备出二维的碳材料，填补这一碳家族族谱（如图 1.1）的空白。然后是因为石墨烯具有十分优良的电学性能，室温下的电子迁移率20000 cm-2V-1S-1；超强的力学性能(高模量1060 GPa，高强度130 GPa)，是现有钢铁的数十倍；优越的光学性能，单层石墨烯的透光系数约为97%；同时还具有高的理论比表面积2600 m2 g-1，高热导率3000 W m-1 K-1[8-11]。它的出现可能催生一个时代的变革，科学家甚至预言，21世纪，石墨烯将会取代硅引起电子科技的革命，二十一世纪将是石墨烯的时代。
1.1.1石墨烯的结构
图 1.2 层状石墨（左）与单层石墨烯（右）
Figure 1.2 Layered graphite (left) and monolayer graphene (right)
泰森多边形
图1.3 单层石墨烯表面的起伏与皱折
Figure 1.3 The fluctuation of monolayer graphene
第一章文献综述
石墨烯最初是由石墨通过胶带反复层层剥离的方法制的。如图1.2所示，石墨烯由许多sp2杂化的碳原子相互连接构成的只有一个原子层厚度的二维晶态结构。每个碳原子通过σ键与相邻最近的三个碳原子相连形成平面上的角度为120o键角的六方晶格结构，而σ键是由2s，2p x和2p y三个电子形成的3个sp2杂化轨道分别与相邻的三个碳原子形成的刚性结构，从而使石墨烯具有优异的力学性能。剩余的P z轨道的π电子在与平面垂直的方向上的电子形成π轨道，且π轨道电子能够沿π轨道自由移动，从而使石墨烯具有优良的电学性能[12]。
早在20世纪30年代，物理学家认为准二维晶体材料在室温下会迅速拆解，在温度不为零的情况下，由于热微扰作用，热涨落会将完美的二维结构破坏[13]。而且由弹性理论我们知道，二维薄膜在绝对零度以上为了平衡其表面能会发生一定的弯曲现象。所以石墨烯并不是理想的平面二维晶体，而是存在一定的皱折和起伏，（图 1.3）这是因为石墨烯要通过自身产生原子尺度的皱折起伏来平衡热涨落[14]。
图 1.4 石墨烯边缘的结构-“zigzag”结构和“Armchair”结构
Figure 1.4 The edge structure of graphene-“zigzag”structure and “Armchair”structure
研发支出
石墨烯的边缘结构也有独特的特点。石墨烯相邻的两条边缘，其中一边被称为“zigzag”结构，而另一边则被称为“Armchair”结构[15]。（图1.4）这一结构上的差异对石墨烯的电学性能和电化学性能产生深远的影响。与此同时，石墨烯还可以构筑其他维度的碳材料，石墨烯按照特定的结构包裹起来就可以形成零维的富勒烯，石墨烯纳米带卷起来就可以形成一维的碳纳米管，而石墨烯通过层层组装就又能重新形成三维石墨结构（图1.5）[16]。
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