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摘 要

石墨烯作为新型二维材料，凭借其出色的物理化学性能被广为人知，而氧化后的石墨烯除延承石墨烯的多种优良性能外，还因为含氧基团的加入使得其同时具有含氧基团的诸多反应特性。本文根据量子化学的基本原理，运用密度泛函理论，使用ADF软件进行计算，分析了有机溶剂分子与石墨烯/氧化石墨烯在电场存在的情况下相互作用的变化情况，结果表明，电场的存在会改变石墨烯/氧化石墨烯与有机溶剂小分子之间的相互作用，正电场会减弱石墨烯/氧化石墨烯之间与有机溶剂小分子的相互作用，而负电场则会增强其相互作用。由于含氧基团的存在，氧化石墨烯与有机溶剂分子之间的相互作用比石墨烯的更强。电场的加入增强了石墨烯/氧化石墨从有机废液中吸附有机分子的能力。

关键词：量子化学 氧化石墨烯 石墨烯 有机分子 密度泛函

The influence of electric field on the interaction between graphene / graphene oxide and organic solvents

ABSTRACT

Graphene is a two-dimensional material which is well known by its excellent physical and chemical properties. The oxide graphene not only has the excellent properties of graphene but also has the characteristics of oxygen-containing groups at the same time because of the addition of the oxygen group. In this paper, based on the quantum chemical, the density functional theory was applied, and ADF program was used to calculate the interaction energy between organic solvent molecules and graphene/oxide graphene under the electric field. The results show that the electric field influence the interaction of graphene/oxide graphene with organic solvent molecules. The positive electric field weaken the interaction but the negative electric field strength the interaction. Because the oxide graphene contains the oxygen groups, the interaction energy is lower than that of graphene. The ability of graphene/oxide graphene capture the organic solvent molecules is strengthened by the electric field.

Key Words: Quantum Chemistry; Graphene Oxide; Graphene; organic solvent molecules; Density Functional

目 录

ABSTRACT II

第一章 绪论 4

1.1 引言 4

1.1.1石墨烯的结构与性质 4

1.1.2石墨烯的制备 4

1.1.3石墨烯的应用 5

1.1.4 氧化石墨烯的结构与性质 5

1.1.5 氧化石墨烯的制备 6

1.1.6 氧化石墨烯的应用 7

1.2电场对石墨烯/氧化石墨烯的影响及其在实际生活中的应用 9

1.3 量子化学与DFT 9

1.3.1 量子化学简介 9

1.3.2 密度泛函理论 10

第二章 ADF计算软件 12

2.1 ADF计算软件 12

2.1.1 ADF密度泛函计算软件简介 12

2.1.2 ADF计算软件基组简介 12

2.1.3 ADF计算流程 12

第三章 电场对石墨烯/氧化石墨烯与有机溶剂的相互作用的探究 13

第四章 结果与讨论 13

4.1 石墨烯板、氧化石墨烯板在不同强度电场下结构的变化 13

4.2 单点能的计算 14

4.3 结论 16

第五章 展望 17

参考文献 18

致谢 19

第一章 绪论

1.1 引言

1.1.1石墨烯的结构与性质

石墨烯^[1]是一种类似二维蜂窝状的纳米级碳，其与石墨的单原子层构型相同，均以sp²杂化轨道成键。作为已知强度最高的材料之一，石墨烯除了具有很好的光学性能、储能以及电学性能外，还有着良好的韧性。

1.1.2石墨烯的制备

2004年，英国科学家Geim等人以石墨为原料，采用机械剥离法首次获得石墨烯，此后科学家们又相继发现了多种可制备石墨烯的方法，常见的主要有化学气相沉淀CVD法和氧化还原法，而取向附生法和碳化硅外延生长法使用条件比较局限，从而使得产物的尺寸、纯度等性质存在较大的不确定性。但正是有了这些多样的制备方法，使得化学世界中最庞大的碳族元素家族又诞生了许多新成员（图1-1）。

图1-1 碳家族成员中的多维度新产品

1.1.3石墨烯的应用

由于其优异的电子和机械性能，使得石墨烯成为了凝聚态物理学及材料科学应用方向的热门研究板块。这些运用了石墨烯的新型材料，会给军事工程、生物医学等多领域带来难以估量的科研价值和实用价值，此外其潜在应用领域也涵盖光学、电子、新型复合材料等。随着石墨烯绿色批量化生产问题的解决及其新型复合材料应用范围的扩大，石墨烯正在产业化生产并且加速其产业化的应用。

氧化石墨烯（Graphene Oxide，简称GO）是化学家Benjamin Brodie于1859年首次发现的一种材料，它是一种原子状薄的石墨烯氧化物片，可在基本介质中分散。作为石墨烯的一种氧化衍生物， GO材料由于含氧官能团的加入，可经由各种与含氧官能团的反应而增添其本身的性质，如石墨烯是没有能带间隙的半金属，对反应是惰性的，这阻碍了石墨烯在半导体砂传感器领域中的应用，而氧化石墨烯可在一定程度上兼容并优化石墨烯在制备和应用等多方面的劣性。

1.1.4 氧化石墨烯的结构与性质

GO是共价修饰的含氧官能团在石墨烯基面或边缘形成的sp²和 sp³杂化的碳基衍生物。由于氧基团的存在，产生了化学反应位点，氧化石墨烯可以通过化学或物理手段被切割成较小的薄片，从而产生纳米尺寸的GO或纳米带，它们的性质与微米大小的相对应物有明显的不同。声化学处理可以将GO分解成小碎片和多芳香烃。利用这些小碎片，可以重组为富勒烯和碳丝，这两种物质可以显示出氧化石墨烯丰富的化学性质。

（1）氧化石墨烯的结构特点

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