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摘 要

由于石墨烯良好的性能和广泛的应用前景，所以如何高效简单且大规模的制备石墨烯也成为了一个人们探索的重要问题。目前已知的制备石墨烯的方法主要有：机械剥离法、外延生长法、金属催化法、淬火法等。由于以上集中制备方法低效、复杂，所以目前迫切需要一种令人满意的新的制备方法。本文便着重研究水环境中氧化石墨烯的热还原。

本研究采用分子动力学模拟来研究热还原过程中氧化石墨烯的结构，使用LAMMPS仿真软件包和LINUX操作系统分析和构建模型，对氧化石墨烯还原石墨烯过程中表面含氧官能团的结构和位置进行研究，确定整个热还原过程中C-C键和C-O键的空间结构分布以及杂化状态。同时，我们使用不同含氧量（10％、15％、20％、25％、30％）的GO片材在不同的退火温度下（1000K、1500K）对含氧官能团和含氧产物的各种结构性质进行分析后发现，在氧化石墨烯热还原过程中，退火温度、含氧比例、基团配比等各种因素都会对热还原有或多或少的影响。

关键词：氧化石墨烯 热还原 含氧官能团 分子动力学模拟

Structural evolution during the reduction of chemically derived graphene oxide

ABSTRACT

Due to the good performance and wide application prospect of graphene, how to prepare graphene with high efficiency, simplicity and large scale has become an important issue for people to explore.Currently known methods for preparing graphene include mechanical stripping, epitaxial growth, metal catalysis, and quenching.As the above centralized preparation methods are inefficient and complicated, there is an urgent need for a satisfactory new preparation method. This article focuses on the thermal reduction of graphene oxide in aqueous environments.

In this study, molecular dynamics simulations were used to study the structure of graphene oxide in the thermal reduction process. The LAMMPS simulation software package and the LINUX operating system were used to analyze and construct the structural model. The structure of oxygen-containing functional groups on graphene oxide was reduced during graphene oxide reduction. The location was studied to determine the spatial structure distribution and the hybridization state of the C-C bond and the C-O bond in the entire thermal reduction process.At the same time, we used different oxygen content (10%, 15%, 20%, 25%, 30%) of GO sheets at various annealing temperatures (1000K, 1500K) for various oxygen-containing functional groups and oxygenated products. After analyzing the structural properties, it was found that during the thermal reduction process of graphene oxide, various factors such as annealing temperature, oxygen content, and group ratio will have more or less influence on the thermal reduction.

Keywords: graphene oxide ；thermal reduction ；oxygen-containing functional groups；molecular dynamics simulation

目录

摘 要 I

ABSTRACT Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 石墨烯 1

1.1.1 石墨烯的结构 1

1.1.2石墨烯的电学性能 2

1.1.3石墨烯的光学性能 2

1.1.4石墨烯的热导性能 2

1.1.5石墨烯的力学性能 3

1.1.6石墨烯的制备方法 3

1.2 氧化石墨烯 5

1.2.1氧化石墨烯的结构 5

1.2.2 氧化石墨烯的性质 6

1.2.3 氧化石墨烯的制备 8

1.3 分子动力学模拟 9

1.3.1 分子动力学模拟简介 9

1.3.2 分子动力学模拟原理 9

1.3.3 分子动力学常用的模拟软件 10

1.3.4 分子动力学模拟的应用 10

1.3.5 氧化石墨烯的分子模拟 12

第二章 模拟模型和力场 13

2.1 氧化石墨烯的模型 13

2.2模拟力场 13

第三章 模拟过程与结果讨论 15

3.1 模拟过程 15

3.2 结果讨论 15

3.2.1 动力学过程 15

3.3.2 氧化程度分析 16

3.3.3 产物分析 18

3.3.4 官能团分析 20

第四章 结论与展望 22

4.1 结论 22

4.2 展望 22

参考文献 23

致谢 25

1. 绪论
   1. 石墨烯

1.1.1 石墨烯的结构

碳原子以sp²杂化轨道组成的只有一个碳原子厚度的平面薄膜构成了石墨烯的基本结构，由于石墨烯来源于石墨，所以其结构与石墨单层结构大体相同（如图1.1.1.1所示）。是一种厚度只有一个原子层的二维材料，其大致可分为单层石墨烯、双层石墨烯、多层石墨烯及少层石墨烯。石墨烯内部独特的能带结构（如图1.1.1.2所示）使得其内部的电子变成无质量化的微粒，该粒子就称为狄拉克费米子，可以在石墨烯内部进行自由运动。从而导致石墨烯的各方面性质得到加强^[1]。

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