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Study on the Structure, Band Gap and Molecular Vibrational Spectra of Graphene Oxide

作　者: 刘波
导　师: Sun Hongjuan
学　校: 西南科技大学
专　业: Condensed matter Physics
关键词: 氧化石墨烯 第一性原理 官能团排布模式 分子振动光谱 电子能带结构
分类号: O613.71
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


本文采用改进Hummers法成功制备了氧化石墨烯样品，对产物结构及性质进行了表征分析；在实验的基础上建立模型，采用密度泛函第一性原理方法对只含有环氧官能团、只含有羟基官能团以及同时含有两种含氧官能团的氧化石墨烯三类模型进行结构和相关性质的理论计算研究，揭示了不同种类的氧化石墨烯结构中官能团的排布方式、结构稳定性、能带结构以及分子振动光谱等性质。研究结果表明，石墨被氧化后其结构有序性降低，结构层上被接入含氧官能团，其中以羟基官能团（-OH）和环氧官能团（C-O-C）为主，且制备所得产物结构中C/O值约为2/1；引入的含氧官能团在张力作用下使结构出现弯曲与折皱现象，羟基官能团对结构基面张力的贡献较环氧官能团更加显著，从而使结构的折皱和弯曲现象更加突出；在氧化石墨烯结构体系中，含氧官能团分居石墨烯碳原子平面两侧且彼此位于相邻位置的排布模式相对于官能团的其它排布模式，其结构稳定性最高；只含有羟基官能团比只含有环氧官能团的氧化石墨烯结构体系的结合能更大，石墨烯表面碳原子相对于环氧官能团更易与羟基官能团相结合；石墨烯电子能带结构对几何对称性较为敏感，含氧官能团与结构平面碳原子相结合，使本征石墨烯离域π电子定域化，对石墨烯电子结构起着调控作用，体系由零带隙的半金属转变为具有一定带隙宽度的半导体；结构中O2p轨道电子与费米能级附近部分C2p杂化轨道电子成键，降低了价电子态的能级进而导致禁带宽度的产生，随结构中含氧官能团数量的增加，对应氧化石墨烯禁带宽度增大；分子振动光谱的计算模拟研究为分析光谱实验结果及相关官能团吸收峰的指派提供了一定的理论依据，拉曼光谱进一步的验证了结构中含氧官能团处于异面邻位位置的排布模式时最稳定；拉曼G峰的产生与结构中sp2碳原子振动相关，而拉曼D峰的产生除与结构中缺陷相关外还与结构中的含氧官能团相关；低氧化程度结构的计算拉曼光谱与实验拉曼光谱更为接近；计算红外光谱的结果表明C-OH的伸缩振动位于1000~1100cm-1，环氧官能团的C-O伸缩振动位于1200~1300cm-1，从而为确认实验红外光谱中位于1095cm-1附近的C-OH的伸缩振动以及位于1246cm-1附近的C-O-C的伸缩振动提供了依据。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-19
  1.1 石墨烯的结构与性能研究现状  12-13
    1.1.1 石墨烯的结构  12
    1.1.2 石墨烯的性质  12-13
  1.2 氧化石墨烯的结构与性能研究现状  13-16
    1.2.1 氧化石墨烯的结构  13-15
    1.2.2 氧化石墨烯的性质  15-16
  1.4 选题的依据及意义  16
  1.5 主要研究内容  16-17
    1.5.1 论文的主要内容  16-17
    1.5.2 论文的创新点  17
  1.6 主要工作量  17-19
2 氧化石墨烯的制备及其表征研究  19-31
  2.1 实验  19-21
    2.1.1 实验原理  19-20
    2.1.2 实验原料与试剂  20
    2.1.3 实验仪器设备  20
    2.1.4 实验设计与样品的制备  20-21
    2.1.5 样品测试表征手段  21
  2.2 结果与讨论  21-30
    2.2.1 XRD 分析  21-22
    2.2.2 FT-IR 分析  22-24
    2.2.3 XPS 分析  24-28
    2.2.4 Raman 分析  28-30
  2.3 本章小结  30-31
3 石墨烯的结构与性质计算研究  31-39
  3.1 模型建立与计算方法  31-32
  3.2 结果与讨论  32-38
    3.2.1 电子能带结构  32-33
    3.2.2 拉曼光谱  33-36
    3.2.3 红外光谱  36-37
    3.2.4 光学性质  37-38
  3.3 本章小结  38-39
4 具有一元含氧官能团氧化石墨烯的结构与性质计算研究  39-70
  4.1 计算参数与方法  39-40
  4.2 环氧基型氧化石墨烯  40-53
    4.2.1 模型建立  40-43
    4.2.2 几何结构与稳定性  43-44
    4.2.3 拉曼光谱  44-48
    4.2.4 红外光谱  48-49
    4.2.5 电子能带结构  49-52
    4.2.6 光学性质  52-53
  4.3 羟基型氧化石墨烯  53-64
    4.3.1 模型建立  53-55
    4.3.2 几何结构与稳定性  55-58
    4.3.3 拉曼光谱  58-60
    4.3.4 红外光谱  60-61
    4.3.5 电子能带结构  61-63
    4.3.6 光学性质  63-64
  4.4 两种类型的氧化石墨烯比较  64-68
    4.4.1 结构稳定性与结合能  64-65
    4.4.2 电子能带结构比较  65-66
    4.4.3 分子振动模式比较  66-68
  4.5 本章小结  68-70
5 具有二元含氧官能团氧化石墨烯的结构与性质计算研究  70-83
  5.1 计算方法与模型建立  70-72
  5.2 结果与讨论  72-82
    5.2.1 几何结构与稳定性  72-73
    5.2.2 拉曼光谱  73-76
    5.2.3 红外光谱  76-78
    5.2.4 电子能带结构  78-81
    5.2.5 光学性质  81-82
  5.3 本章小结  82-83
6 缺陷型石墨烯的结构与性质计算研究  83-91
  6.1 计算方法与模型建立  83-84
  6.2 结果与讨论  84-90
    6.2.1 几何结构  84-86
    6.2.2 拉曼光谱  86-87
    6.2.3 电子能带结构  87-89
    6.2.4 光学性质  89-90
  6.3 本章小结  90-91
结论  91-94
致谢  94-95
参考文献  95-104
攻读硕士期间发表的学术论文及研究成果  104

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 无机化学 > 非金属元素及其化合物 > 第Ⅳ族非金属元素（碳和硅）及其化合物 > 碳C
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