等离子体还原-交联法组装单层石墨烯的机理研究

Graphene has excellent thermal conductivity, electrical conductivity, transmittance, high strength, super thin, large ratio surface area and other properties. Therefore it will be extensively applied in the field of electronics. Scientists predict that "it will completely change the 21st century". However, large area and high quality graphene preparation, rapid efficient transfer and other key issues, are hindering the development of graphene industry. . As-synthesized GO is itself an insulator because of the functional groups bound to its basal plane. The restoration of conductivity requires a reduction process. To obtain the graphene lattice with long-range honeycomb structure, simply removing oxygen is insufficient, and the defects and distortion generated during the oxidation should be repaired. transformation of GO into graphene is, however, difficult because some functional groups remain together with many defects in rGO. Many reduction methods have been examined to find an effective . To solve the key problems of uncontrollable layers and defects with thermal chemistry reduction method of graphene, this project is proposed to fabricate monolayer graphene by plasma deoxidization-crosslinking method. The strong reducing plasma will deoxidize grapnene to very low oxygen containing lever. Then active carbon radicals from plasma will refill the vacancies of grapheme to achieve perfect grapheme species. At last conjugate radicals from plasma will crosslink the adjacent grapheme species to form a monolayer graphene films. The mechanism of graphene reduction, restoration and crosslinking under different plasma atmosphere will be discovered. The theory model will be built to provide theoretical and technical support for the fabrication of single layer grapheme.

石墨烯具有出色的导热性、电导性、透光性，而且具有高强度、超轻薄、超大比表面积等特性，在电子学领域有广泛应用前景，科学家预言其将“彻底改变21世纪”。然而，大面积、高质量石墨烯制备和快速高效转移等关键问题，一直困扰着整个石墨烯产业的发展。氧化还原法被认为可能是实现石墨烯产业化的二大途径之一，本课题针对氧化还原法制备石墨烯中的层数不可控和缺陷问题，拟通过等离子体还原-交联法组装单层石墨烯，获得可实用化的较完整单层石墨烯薄膜。研究强还原气氛的等离子体对氧化石墨烯的还原作用，脱除氧化石墨烯中的氧原子后，再引入等离子体活化的单体碳源，研究等离子体对脱氧后的石墨烯缺陷的修复作用，最后，通过有机分子共轭链使相邻的石墨片交联在一起，组装成较完整的石墨层，研究等离子体引发石墨烯交联的化学物理过程，揭示等离子体还原-交联法组装单层石墨烯的微观机理，建立理论模型，为组装单层石墨烯提供理论依据和技术基础。

等离子体应用于石墨烯基材料的改性处理，可在常温学压下对纳米复合材料中氧化石墨烯载体材料进行还原、修复、掺杂、交联等表面修饰和功能化，实现纳米复合材料性能的优化和提升。然而， 等离子体修饰石墨烯基材料的选择性和可控性均不理想，因为其中的机理尚不明确，探明等离子体改石墨烯基材料的微观机理，是实现等离子体修饰石墨烯基材料的高选择性和可控性的关键。.针对等离子体技术在制备石墨烯金属纳米复合材料中存在的问题和挑战，分别从等离子体改性氧化石墨烯载体材料的角度和实现纳米复合材料中金属纳米颗粒形貌尺寸调控的角度进行了等离子体方法的探索研究。深入探究了等离子体在氧化石墨烯改性和金属纳米颗粒合成中的反应过程，解释了等离子体引发氧化石墨烯基纳米复合材料还原-修复-交联的作用机理。解决了当前等离子体方法应用于纳米复合材料中调控与生长的难题，获得了一条拓展性的技术路线。.采用ICP等离子体一步法同时实现了氧化石墨烯载体中的氧还原和缺陷空位的修复，优化后的还原氧化石墨烯碳氧比提高至10.6，电导率提升至264.5 S/m，透过率超过89.1%。结合甲烷等离子体放电特性和等离子体光谱分析，验证了甲烷等离子体中活性氢原子和活性碳源的作用，提出了“脱氧”和“碳化”过程共同主导的CH4等离子体还原机理。.采用微波等离子体制备了三维多孔网状结构的石墨烯，通过在氧化石墨烯负载材料中修饰聚乙烯亚胺，一步法同时实现了氧化石墨烯纳米片的还原、交联和氮掺杂。交联的石墨烯纳米片间形成更多导电通道，电学性能提升，电导率达到492.8 S/m。.采用ICP等离子体一步法同时还原氧化石墨烯和氯金酸，制备了金纳米颗粒/还原氧化石墨烯复合材料。平均尺寸10.18 nm的金纳米颗粒均匀密集的分布在还原氧化石墨烯载体中。该复合材料可作为拉曼增强材料，增强因子达到9.46×104，同时具有低检测限，高重复性和高稳定性的特点，可应用于传感领域。.采用ICP等离子体在室温下一步法合成了八面体铂钯合金/还原氧化石墨烯的纳米复合材料。经过优化后的复合材料具有出色的催化甲醇氧化性能。其电化学活性比表面积和质量活性比表面积分别达到253.96 cm2 mg-1和1072.0 mA mg-1，分别是商用铂碳催化剂的2.9倍和4.6倍。与单独的铂催化剂或者钯催化剂以及商用铂碳相比，对催化甲醇氧化反应具有更低的启动电压和更高的峰值电流密度。