氚是极其重要的战略资源和未来聚变堆的燃料,然而,氚也是反应堆废水中极难处理的放射性废物,福岛核事故中仍有100万吨低浓度含氚废水亟待处置。氢的三种同位素氕、氘、氚的分离是保证氚供给和含氚废水处理的关键,如何设计与制备新型材料以提高氢同位素分离效率是当前面临的挑战之一。过往的分离技术具有能耗高、附属设备多、分离系数低等缺点。最新的研究表明,低缺陷石墨烯具有亚原子选择性,可高效分离水中的氢同位素;同时理论研究证实,微孔石墨烯亦可通过量子筛分效应实现对不同尺寸分子的筛分,在低温下可高效分离氢同位素气体。本论文将集中阐述新型低缺陷石墨烯与微孔石墨烯材料的制备方法,可分别适用于水中及气体氢同位素分离。首先阐明了液相剥离法中无机盐阴阳离子共插层机制,发展出一种无表面活性剂且无需超声辅助的新型液相剥离方法,简化了低缺陷石墨烯的制备流程,避免了残留表面活性剂对后续石墨烯器件的影响;然后利用可以产生质子束、氘束和中子的强流氘氚中子源科学装置HINEG,以低缺陷单层石墨烯为辐照对象,通过研制的质子辐照靶盘,得到了微孔石墨烯材料,研究了 mA级强流质子束对石墨烯的损伤效应。所取得的主要研究结果总结如下:(1)提出了在无机盐水相体系中低缺陷石墨烯制备过程中阴阳离子共插层机制。本工作中以石墨粉为前驱体,分别以LiCl、KCl、Li2S04等无机盐为插层剂,通过环保的水相剥离体系制备出低缺陷的石墨烯,比较了不同无机盐剥离得到的石墨烯产率、晶格结构、层数,发现离子半径较大的K+与SO42-离子的剥离效果分别优于Li+和Cl-,总结出阴离子亦可提高石墨烯的剥离产率,完善了传统的阳离子插层机制。基于此实验结果,提出了阴阳离子在剥离过程中共插层的机理,并通过对比超声洗前后样品化学成分变化,对机理进行了验证,为优化插层剂的选择提供了理论依据。(2)发展了一种无表面活性剂的水相体系低缺陷石墨烯制备方法。本工作利用LiOH作为插层剂,在无表面活性剂的条件下实现了低缺陷石墨烯的制备,得到石墨烯晶格结构完整、尺寸为1-2μm,在水溶液中的分散浓度可以达到0.09 mg/ml,避免了表面活性剂残留对低缺陷石墨烯性能的影响。通过总结实验结果,结合密度泛函理论(DFT)计算Gibbs自由能发现,在剥离过程中OH-加成到低缺陷石墨烯边缘,并且剥离体系中OH-的存在均是促使石墨烯在水中分散的重要因素。(3)基于强流氘氚中子源科学装置HINEG,设计研制了微孔石墨烯所用的质子辐照靶盘。本工作基于粒子辐照制备微孔石墨烯的原理,设计了机械压环结合导热银胶的样品固定方式,可将多个低缺陷石墨烯的辐照样品(最多8个)紧密固定于HINEG大尺寸旋转靶上。研制的质子辐照靶盘实现了在1000 rpm高速旋转下的真空密封、水密封与样品固定,可有效控制250 keV,mA量级的质子束持续轰击给样品带来的能量沉积,同时在辐照过程中可实现每个样品的质子注量率与总注量保持严格一致,解决了过往研究中样品之间注量率与总注量难以控制的问题,可用于量产微孔石墨烯,并可兼容其他薄膜样品的质子辐照测试。(4)利用强流氘氚中子源科学装置HINEG的强流质子束成功制备了微孔石墨烯。本工作研究了不同的质子能量、注量率、总注量对石墨烯结构损伤的影响,通过对比在相同量级注量下,不同注量率质子束辐照后石墨烯的缺陷状况,提出注量率是影响微孔石墨烯缺陷结构和数量的重要因素,究其原因是注量率的提高会抑制石墨烯的自修复效应。通过实验还发现在一定能量范围内,质子在石墨烯中的能量损失随入射质子能量的减小而增大,对石墨烯产生的辐照损伤效应也越高。石墨损伤效应的实验结果与石墨烯类似。综上所述,本论文基于液相插层剥离,发展了一种无表面活性剂无超声辅助的低缺陷石墨烯制备方式,并研究了其剥离的机制,为低缺陷石墨烯的清洁量产提供了潜在的途径。同时利用mA级的低能质子束辐照制备多孔石墨烯,研究了质子能量、质子注量、石墨烯衬底的不同对辐照效应的影响,为了质子辐照制备微孔石墨烯的研究提供了参考依据。制备的低缺陷石墨烯和多孔石墨烯,未来可作为潜在的分离材料实现氢同位素的高效分离。