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石墨烯,是一种二维纳米炭材料,具有超高的电子传输性能(电子迁移率、量子霍尔效应等),机械性能(弹性常数,超高的模量及强度等),以及在表面化学方面的特性(高比表面积、摩擦、润滑、耗损等),使其在纳米复合材料、新型化学电源、相关衍生物、晶体管、生物传感器、分析科学与生物医学等多方面具有广阔的应用前景。因而,自2004年单层石墨烯首次被发现以来,有关石墨烯的合成、改性以及组装在世界上引起了广泛的关注。目前,石墨烯的制备方法主要有微机械剥离法、氧化石墨还原法、外延生长法、化学气相沉积法,尚不能大量合成高质量石墨烯材料。有鉴于此,本文提出一种新型的合成方法——非基板化学合成法,用于合成石墨烯纳米片,该方法主要以二茂铁为催化剂和含有杂原子的有机化合物(如1,2,4-三氯苯等)为碳源在高压反应釜中进行催化热解反应,并通过改变工艺参数(如反应温度、反应物配比、原料用量等)来探索产物形貌结构变化规律,推断生长机理,并最终得到合成大量优质的石墨烯及二维石墨烯/碳纳米管组装结构的优化工艺条件。该方法具有工艺简单、反应温和、产物结构可控、易于大量合成等特点,为二维纳米炭材料的研究开发奠定了基础。研究结果表明,在二茂铁和1,2,4-三氯苯反应体系中,石墨烯纳米片可在400~700℃之间生成,并且在反应温度为450℃,反应原料的物质的量之比为1:1下,所制备石墨烯的质量最好,该条件下所得产物片层尺度为2~15μm,厚度为单层或数层(5层以下),单次产率可以达到40%。随着反应温度升高,片层厚度增加;随着催化剂比例的增加,容易形成炭包覆纳米金属晶体等副产物。通过对最终产物和中间产物形貌结构分析,考察其演变规律,推断石墨烯纳米片的生长机理遵循扩散限制凝聚(DLA)的扩散理论,其中氯原子促进了纳米片层的生长。在二茂铁和1,2,4-三氯苯反应体系中不仅可以合成出石墨烯纳米片,而且可以制备石墨烯纳米片/纳米管组装体。增加碳源比例,直至三氯苯/二茂铁摩尔比大于2时,可以生长石墨烯纳米片/纳米管组装体,其中纳米管平均直径为200nm,长度为1~3μm,管壁平均厚度为30nm,呈竹节状,垂直生长于石墨烯纳米片上。改变反应体系,考察了其它元素(F、S)对产物的影响,研究表明:在二茂铁/十氟联苯或二茂铁/噻吩体系中,反应产物为非晶碳包覆金属(化合物)的纳米电缆,包覆的碳层属于无定形结构;二茂铁/脲体系中,产物为各种纳米结构,但纯度较低。