马彦麒开题报告_企业管理_经管营销_专业资料.doc

材料科学与工程学院本科毕业设计（论文）开题报告 论文题目: 石墨烯/Y2O3复合材料的制备与发光性质研究学 生 姓 名 马 彦 麒 学 号 10080218 专 业 班 级 无机材料科学与工程 指 导 教 师 董其铮讲师 提 交 日 期 2014.01.12 说 明 1、毕业设计（论文）的开题报告是保证毕业设计（文）质量的一个重要环节，为规范毕业设计（论文）的开题报告，特印发此表。 2、学生应在开题报告前，通过调研和资料搜集，主动与指导教师讨论，在指导教师的指导下，完成开题报告。 3、开题报告撰写不少于 3000 字， A4纸打印，页边距左边 3.2cm，右边 2.54cm，上下边距 2.54cm，在左边装订；内容为小四号宋体，行距为固定值 20磅。各栏空格不够时，请自行加页。4、此表一式二份，一份提交学院装入毕业设计（论文）档案盒，一份提交指导教师。 5、开题报告需经指导教师审查合格后，方可进入毕业设计（论文）下一阶段。 6、开题报告可作为毕业实习的实习报告。（此页可不打印）毕业论文题目石墨烯/Y2O3复合材料的制备与发光性质研究题 目 来 源科研一、选题依据：（课题来源、选题依据和背景情况、课题研究目的）每隔几年, 总会有一些具有特殊性质的材料被发现并引起科学界的轰动, 比较典型的例子是高温超导体及碳纳米管的发现。而于2004年被发现的石墨烯，由于具有许多特殊的性质, 一经发现即毫无疑问地成为目前材料科学界的研究热点。它的出现彻底颠覆了70年前由Landau和Peierls提出的绝对二维晶体是热力学不稳定的不可能存在的传统理论。石墨烯是一种新型二维碳纳米材料, 具有许多独特的理化性质。它是由碳原子按正六边形紧密排列成蜂窝状晶格的单层二维平面结构。因为可以由石墨烯卷成零维的富勒烯及一维的碳纳米管以及堆积成三维的石墨, 所以它被称之为“碳材料之母”。石墨烯结构非常稳定, 各碳原子之间的连接非常柔韧, 当施加外部机械力时, 碳原子面就弯曲变形, 从而使碳原子不必重新排列来适应外力而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导热性3000W/(mK)。石墨烯最大的特性是其电子的运动速度达到了光速的1/300, 远远超过了电子在一般导体中的运动速度, 是目前已知材料中电子传导速率最快的, 其室温下的电子迁移率可达15000cm2/(vs)。石墨烯还表现出了完美的量子隧道效应、 零质量的狄拉克费米子行为及异常的半整数量子霍尔效应。石墨烯还是人类已知强度最高的物质,比钻石还坚硬,强度是世界上最好的钢铁的100多倍。另外,科学家们发现单层的石墨烯具有非常大的比表面积, 可高达2600m2/g。下图是石墨烯的结构图。与此同时，随着稀土应用研究的广泛和深入发展,Y2O3作为一种重要的稀土氧化物原料, 在新材料特别是功能材料研究方面, 其重要性日渐突现；如以Y2O3为主要原料制取的广泛用于医疗领域的激光晶体YAG,用于通讯领域的微波磁性材料YIG,彩色显像行业用的荧光材料Y2O3：Eu,优良光学特性的Y2O3系透明陶瓷等, 此外Y2O3 还是 ZrO2 陶瓷的常用稳定剂以及 AlN, Si3N4等高温结构陶瓷材料常用的烧结助剂。综上所述，石墨烯与Y2O3具备良好的性能，因此石墨烯/Y2O3复合材料的制备与发光性质研究具有很好的研究价值。二、文献综述：（国内外研究现状、发展动态）1、石墨烯的制备研究进展1.1、石墨烯的制备方法概述目前有关石墨烯的制备方法,国内外有较多的文献综述，石墨烯的制备主要有物理方法化学方法。物理方法通常是以廉价的石墨或膨胀石墨为原料，通过微机械剥离法、液相或气相直接剥离法来制备单层或多层石墨烯,此法原料易得，操作相对简单，合成的石墨烯的纯度高、缺陷较少,但费时、产率低下,不适于大规模生产。目前实验室用石墨烯主要多用化学方法来制备,该法最早以苯环或其它芳香体系为核, 通过多步偶联反应取代苯环或大芳香环上6个，循环往复，使芳香体系变大,得到一定尺寸的平面结构的石墨烯(化学合成法)。2006年Stankovich等首次用肼还原脱除石墨烯氧化物(graphene oxide, 以下简称GO)的含氧基团从而恢复单层石墨的有序结构(氧化还原法), 在此基础上人们不断加以改进, 使得氧化还原法(含氧化-修饰还原法)成为最具有潜力和发展前途的合成石墨烯及其材料的方法。除此之外, 晶体外延生长、化学气相沉积也可用于大规模制备高纯度的石墨烯。1.2、物理法制备石墨烯1.2.1、微机械剥离法 微机械剥离法是最早用于制备石墨烯的物理方法。Geim等在1mm厚的高定向热解石墨表面进行干法氧等离子刻蚀,然后将其粘到玻璃衬底上,接着在上面贴上1m 厚湿的光刻胶,经烘焙、反复粘撕,撕下来粘在光刻胶上的石墨片放入丙酮溶液中洗去,最后将剩余在玻璃衬底上的石墨放入丙醇中进行超声处理,从而得到单层石墨烯。虽然微机械剥离是一种简单的制备高质量石墨烯的方法,但是它费时费力,难以精确控制,重复性较差,也难以大规模制备。1.22、液相或气相直接剥离法通常直接把石墨或膨胀石墨(EG)(一般通过快速升温至1000以上把表面含氧基团除去来获取) 加在某种有机溶剂或水中,借助超声波、加热或气流的作用制备一定浓度的单层或多层石墨烯溶液。Coleman等参照液相剥离碳纳米管的方式将石墨分散在N-甲基-吡咯烷酮(NMP)中,超声1h后单层石墨烯的产率为1%，而长时间的超声(462h)可使石墨烯浓度高达1.2mg/mL, 单层石墨烯的产率也提高到4%。他们的研究表明，当溶剂的表面能与石墨烯相匹配时,溶剂与石墨烯之间的相互作用可以平衡剥离石墨烯所需的能量,而能够较好地剥离石墨烯的溶剂表面张力范围为4050mJ/m2; Hamilton等把石墨直接分散在邻二氯苯(表面张力: 36.6mJ/m2)中,超声、离心后制备了大块状(100-500nm)的单层石墨烯; Drzal等利用液液界面自组装在三氯甲烷中制备了表面高度疏水、高电导率和透明度较好的单层石墨烯。为提高石墨烯的产率, 最近Hou等发展了一种称为溶剂热插层(solvothermal-asssisted exfoliation)制备石墨烯的新方法，该法是以EG为原料,利用强极性有机溶剂乙腈与石墨烯片的双偶极诱导作用(dipole-induced dipole interaction)来剥离、分散石墨,使石墨烯的总产率提高到10%-12%。同时,为增加石墨烯溶液的稳定性,人们往往在液相剥离石墨片层过程中加入一些稳定剂以防止石墨烯因片层间的范德华力而重新聚集。 Coleman 研究小组在水/十二烷基苯磺酸钠( SDBS) 中超声处理石墨30min,详细研究了石墨初始浓度以及SDBS浓度对石墨烯产率的影响, 发现所得的石墨烯多数在5层以下,并且具有较高的导电率(104S/m)，后来发现柠檬酸钠作为稳定剂也具有较好的剥离分散效果。Englert等合成一种新型的水溶性含大芳香环的两亲性物质并作为片层石墨的稳定剂，利用该物质与石墨片层的堆积与疏水作用来制备稳定的石墨烯水溶液。最近，为同时提高单层石墨烯的产率及其溶液的稳定性,Li等提出“exfoliation-rein-tercalation-expansion”方法，以高温处理后的部分剥离石墨为原料,用特丁基氢氧化铵插层后,再以DSPE-mPEG为稳定剂,合成的石墨烯90%为单层,且透明度较高(83%-93%). 另外,一些研究人员研究了利用气流的冲击作用来提高剥离石墨片层的效率，Janowska等以膨胀石墨为原料,微波辐照下发现以氨水做溶剂能提高石墨烯的总产率(8%)，深入研究证实高温下溶剂分解产生的氨气能渗入石墨片层中,当气压超过一定数值足以克服石墨片层间的范德华力而使石墨剥离。Pu等将天然石墨浸入超临界CO2中30min以达到气体插层的目的,经快速减压后将气体充入SDBS的水溶液中即制得稳定的石墨烯水溶液,该法操作简便、成本低,但制备的石墨烯片层较多(10层)。因以廉价的石墨或膨胀石墨为原料,制备过程不涉及化学变化,液相或气相直接剥离法制备石墨烯具有成本低、操作简单、产品质量高等优点,但也存在单层石墨烯产率不高、片层团聚严重、需进一步脱去稳定剂等缺陷. 为克服这种现象,最近Knieke等发展了一种大规模制备石墨烯的方法,即液相“机械剥离”。该法采取了一种特殊的设备,高速剪切含十二烷基磺酸钠的石墨水溶液, 3h 后溶液中单层和多层石墨烯的浓度高达25g/L, 而5h后50%以上的石墨烯厚度小于3nm, 该法具有成本低、产率高、周期短等优势,是一种极有诱惑力的大规模制备石墨烯的途径。1.3、化学法制备石墨烯1.3.1、化学气相沉积法(CVD) 化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)是反应物质在相当高的温度、气态条件下发生化学反应,生成的固态物质沉积在加热的固态基体表面,进而得固体材料的工艺技术。CVD 是工业上应用最广泛的一种大规模制备半导体薄膜材料的方法,也是目前制备石墨烯的一条有效途径。Srivastava 等制备34采用微波增强CVD在Ni包裹的Si衬底上生长出了约20nm厚的花瓣状石墨片,形貌并研究了微波功率对石墨片形貌的影响。研究结果表明: 微波功率越大,石墨片越小,但密度更大。此种方法制备的石墨片含有较多的Ni元素。Zhu等用电感耦合射频等离子体CVD在多种衬底上生长出纳米石墨微片。这种纳米薄膜垂直生长在衬底上,形貌类似于Srivastava等制备的“花瓣状”纳米片,进一步研究发现这种方法生长出来的纳米石墨片平均厚度仅1nm,并且在透射电镜下观察到了垂直于衬底的单层石墨烯薄膜(厚0.335nm). Berger等将SiC置于高真空(1.3310-10Pa)、1300 下,使SiC薄膜中的Si原子蒸发出来,制备了厚度仅为12个碳原子层的二维石墨烯薄膜。最近韩国成均馆大学研究人员39在硅衬底上添加一层非常薄的镍(厚度 300nm),然后在甲烷、氢气与氩气混合气流中加热至1000,再将其快速冷却至室温,即能在镍层上沉积出610层石墨烯，通过此法制备的石墨烯电导率高、透明性好、电子迁移率高(3700 cm2/(Vs),并且具有室温半整数量子Hall效应,而且经图案化后的石墨烯薄膜可转移到不同的柔性衬底,可用于制备大面积的电子器件(如电极、显示器等), 为石墨烯的商业化应用提供了一条有效的途径。CVD法可满足规模化制备高质量、大面积石墨烯的要求,但现阶段较高的成本、复杂的工艺以及精确的控制加工条件制约了CVD法制备石墨烯的发展,因此该法仍有待进一步研究。1.3.2、晶体外延生长法(SiC高温退火) 通过加热单晶6H-SiC脱除Si, 从而得到在SiC表面外延的石墨烯。将表面经过氧化或H2刻蚀后的SiC在高真空下通过电子轰击加热到1000以除掉表面的氧化物，升温至12501450，恒温120min,可得到厚度由温度控制的石墨烯薄片。这种方法得到的石墨烯有两种,均受SiC衬底的影响很大:一种是生长在Si层上的石墨烯,由于和Si层接触,这种石墨烯的导电性受到较大影响,一种生长在C层上的石墨烯则有着极为优良的导电能力。这种方法条件苛刻(高温、高真空)、且制造的石墨烯不易以从衬底上分离出来,难以能成为大量制造石墨烯的方法。1.3.3、氧化还原法(含氧化修饰还原法) 这是目前最常用的制备石墨烯的方法,国内外科学家已经对这方面做了大量的研究。石墨本身是一种憎水性物质,与其相比, GO 表面和边缘拥有大量的羟基、羧基、环氧等基团,是一种亲水性物质,正是由于这些官能团使GO容易与其它试剂发生反应,得到改性的氧化石墨烯;同时GO层间距(0.71.2nm)也较原始石墨的层间距(0.335nm)大,有利于其它物质分子的插层。制备Go的办法一般3种: Standenmaier 法、Brodie法、Hummers法。制备的基本原理均为先用强质子酸处理石墨,形成石墨层间化合物, 然后加入强氧化剂对其进行氧化。因这些方法中均使用了对化工设备有强腐蚀性、强氧化性的物质,故现今有不少GO的改进合成方法。GO 的结构比较复杂，目前还没有公认的结构式。 GO还原的方法包括化学液相还原、热还原、等离子体法还原、氢电弧放电剥离、超临界水还原、光照还原、溶剂热还原、微波还原等，其中又以化学液相还原研究的最多,常见的还原剂有水合肼、H2、二甲肼、对苯二酚、NaBH4、强碱等，Ruoff 与Loh等对此作了很好的综述。结构完整的二维石墨烯晶体表面呈惰性状态,化学稳定性高,与其它介质的相互作用较弱，并且石墨烯片之间有较强的范德华力,容易产生聚集,使其难溶于水及常用的有机溶剂,这给石墨烯的进一步研究和应用造成了很多困难。为了充分发挥其优良性质、改善其可成型加工性(如提高溶解性在基体中的分散性等),必须对石墨烯表面进行有效的修饰,通过引入特定的官能团,还可以赋予石墨烯新的性质,进一步拓展其应用领域。修饰是实现石墨烯分散、溶解和成型加工的最重要手段。目前人们常采用先对GO进行修饰然后再进行还原(即氧化-修饰-还原). 其中,石墨烯的修饰主要有共价键修饰和非共价键修饰。2、超微Y2O3的制备在这里我们将要介绍的超微Y2O3的制备方法为络合一沉淀法。实验方法: 用HNO3把Y2O3(99.99%)溶解，配成一定浓度的溶液。取一定量的此溶液。加入EDTA(或EDTA二钠盐)，搅拌中用NH40H调PH为9， 此时溶液为均一透明溶液，放置10min,加入一定量的(NH4)2C2O1H2O，持PH值不变，由于高PH值时，钇离子与EDTA的络合能力强，无沉淀生成，仍为透明溶液。继续放置10min，滴加1:4的HNO3调PH，随着酸度的增加钇离子与EDTA的络合能力在减弱， 初始时无沉淀析出，继续滴加HNO3，络合物质开始解离，而有Y2(C2O4)3沉淀出现，调至PH=2,使Y2(C2O4)3形成沉淀全部析出，继续搅拌10min,沉淀经过滤、水洗，烘干便得到Y2(C2O4)3微粉，将此微粉灼烧即得Y2O3超微粉末。三、研究内容：本文针对石墨烯的制备方法和Y2O3制备方法的综合考虑，决定用Hummers法和溶胶凝胶法（上述未提到，以下讲）制取石墨烯/Y2O3复合材料。1.课题研究内容: 石墨烯/Y2O3复合材料的制备与发光性质研究(1).掌握Hummers法和溶胶凝胶法制取石墨烯/Y2O3复合材料的工艺，制备出石墨烯/Y2O3复合材料。(2).通过对制取工艺、 影响因素进行分析和研究从而对发光性质进行研究。2.拟采取的实验方案（1）预期采用方法：Hummers法和溶胶凝胶法制取石墨烯/Y2O3复合材料（2）实验用机械：磁力加热搅拌器、烧杯、玻璃棒、滤纸、漏斗、电炉、坩埚、回流冷凝器。（3）实验材料：石墨采用细鳞片石墨，产自萝北石墨矿，粒度为-150 um。浓硫酸、氢氟酸、蒸馏水、硝酸钠、高锰酸钾、双氧水、水合肼、无水乙醇、钇酸丁脂、冰醋酸、 (4)实验步骤：【1】石墨提纯 粒度为-150 m鳞片石墨与硫酸溶液按液固比251混合，加热搅拌反应一定时间后过滤; 再将上述用硫酸预处理的石墨与氢氟酸溶液也按251混合均匀，常温下搅拌反应一定时间后过滤，滤饼用蒸馏水洗至滤液pH=7，再将石墨滤饼干燥得到固定含碳量为9966%的石墨样品。 【2】氧化石墨及石墨烯的制备 利用Hummers法制备氧化石墨，将提纯后的石墨样品与浓硫酸、硝酸钠在低温下进行插层反应，再加入高锰酸钾在中温下进行氧化反应，然后加入双氧水在高温下进行进一步氧化，从而得到氧化石墨 将氧化石墨溶液超声震荡后与还原剂水合肼在100进行回流，得到的黑色物质为石墨烯。 【3】石墨烯/Y2O3复合材料的制备 黑色石墨烯在无水乙醇中超声一段时间使其充分分散，边搅拌边加入钇酸丁脂、冰醋酸、蒸馏水并继续搅拌至完全混合，放置一段时间使其充分凝胶，干燥，研磨焙烧，得到石墨烯/Y2O3复合材料。四、主要参考文献：（不少于10篇，其中外文资料不少于2篇）(1) 雷 芸，江 莹，钱 坤，何 静，陈禹成，石墨烯/TiO2 复合材料的制备及其光催化性能的研究，硅酸盐通报，第31卷，第2期(2) 王介强，陶珍东，孙旭东，无机溶