1 课题背景及其意义

随着科学技术的不断进步，研究不断的由宏观向微观方向扩展，而碳元素的研究也在不断向微观低维方向聚焦。碳在自然界中分布较为广泛，具有多种多样的异构体，同时在自然界中占有重要的地位，是构成生命体不可缺失的元素。近年，随着科技创新的需求，炭纳米材料作为前沿领域，而被不断的深入研究。1985 年富勒烯和 1991 年碳纳米管相继被发现，进一步触动了人们对碳元素的研究兴趣。此后经过 10 多年的研究，2004 年由 Novoselov等人利用机械剥离法成功的制备出单层石墨烯。这使得碳纳米结构的研究又进入了一个新的研究热潮[1]。石墨烯是一种由单层碳原子以sp2杂化的方式排列而紧密堆积形成的二维蜂窝状晶格结构的碳质材料。正是由于这种特殊的结构，石墨烯具有良好的热稳定性、较高的导 电性、强度高和厚度小、比表面积大等十分奇特的物理、化学性质，此外，它还具有一些其他独特的性能，如量子隧穿效应、量子霍尔效应等，而且没有明显的生物毒性，因此在电子、信息、能源、材料和生物医药领域有广阔的应用前景[2]。目前，石墨烯的制备方法有很多，如微机械剥离法、化学气相沉积法、分子外延生长法和氧化还原法等，然而这些方法都受到各自的制备方法的限制，得到的结构和工艺都存在着不同。而在这些方法中，氧化还原法具备大规模生产的工艺条件，因此，此方法在工业生产的应用上具有很好的前景[3]。

1.1 氧化石墨烯的由来与发展

2004年，科学家科学家 Andre Geim（安德烈#183;盖姆）和他的昔日弟子 Konstantin Novoselov（康斯坦丁#183;诺沃肖洛夫）用微机械剥离的方法从石墨粉中得到了单层的石墨烯片，这种材料的厚度仅为0.35nm，是已知最薄的的二维碳材料。除此以外，石墨烯还是构成其他碳材料的基本单元，它可以如图 1所示简单地作为基本单元结构包裹成富勒烯结构，卷曲成碳纳米管，以及堆积成三维的石墨及类石墨结构[4]。

图1 各种碳材料的基本单元----石墨烯

目前石墨烯的制备仍然是这一领域的技术难题。 如何采用简单的方法制备出满足要求的石墨烯对于将来的基础理论研究和广泛应用有重要影响。现在有多种制备石墨烯的方法，而氧化还原法是使用最广泛的一种。氧化还原法制备石墨炼的原理如图2所示主要分为三步：第一步，将石墨进行氧化处理，改变石墨片层的自由电子对，对其表面进行含氧官能团的修饰，得到氧化石墨，这些官能团既可以降低石墨片层的范德华力，从而使石墨层间距增加，也增强了石墨的亲水性，便于分散在水中；第二步，将氧化石墨在水中超声剥离，形成均匀稳定的氧化石墨烯胶体；第三步，由于氧化石墨稀是绝缘体，而且缺陷多，需要将其还原成石墨烯，常见的还原方法有化学还原法如肼类，，强碱等、热还原等方法。

图2 氧化还原法制备石墨烯原理图