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第1章 低维纳米碳材料的理论研究1

1.1 引言1

1.2 纳米碳材料理论研究基本方法简介1

1.2.1 量子化学计算方法1

1.2.2 分子动力学仿真3

1.2.3 蒙特卡罗模拟7

1.3 低维纳米碳材料的理论研究现状10

1.3.1 石墨烯材料电子结构和重要性质的理论预测10

1.3.2 功能化石墨烯重要化学反应机理的理论计算12

1.3.3 富勒烯的电子结构和化学反应动力学研究20

1.3.4 石墨烷的理论发现和近期研究进展22

1.3.5 石墨炔材料理论研究的回顾和展望24

1.4 低维纳米碳材料在镧锕系元素分离中的应用和理论研究进展26

1.4.1 乏核燃料的镧锕系元素分离在核工业中的重要意义26

1.4.2 氧化石墨烯吸附镧锕系元素的基本原理27

1.4.3 氧化石墨烯末端官能团对镧锕系元素分离效率的影响29

1.4.4 纳米碳材料吸附镧锕系元素离子的热力学和动力学理论29

1.4.5 锕系元素重要离子的量子化学处理方法31

1.4.6 次锕系元素水溶性离子与纳米碳材料相互作用的理论研究现状32

1.5 本章小结34

参考文献34

第2章 化学气相沉积法生长石墨烯薄膜与应用41

2.1 引言41

2.2 化学气相沉积法生长石墨烯及其特性41

2.2.1 化学气相沉积法生长石墨烯41

2.2.2 CVD法制备石墨烯的生长机制43

2.2.3 CVD法制备石墨烯的转移工艺46

2.2.4 CVD法制备石墨烯的掺杂方法48

2.2.5 石墨烯的检测和分析方法50

2.3 化学气相沉积石墨烯薄膜的应用57

2.3.1 基于CVD石墨烯的生物传感器——以DNA传感为例57

2.3.2 CVD石墨烯场效晶体管的应用60

2.3.3 CVD石墨烯用于透明导电薄膜62

2.3.4 CVD石墨烯用于电催化多孔电极材料66

2.3.5 CVD石墨烯的导热应用67

2.3.6 CVD石墨烯的未来应用展望68

2.4 本章小结70

参考文献70

第3章 石墨烯化学剥离制备技术78

3.1 引言78

3.2 石墨烯化学剥离制备技术背景78

3.3 石墨烯化学剥离制备技术进展79

3.3.1 化学剥离方法简介79

3.3.2 石墨氧化还原法制备石墨烯80

3.3.3 石墨及石墨层间化合物剥离制备技术91

3.3.4 石墨烯的表面化学结构与性质96

3.3.5 化学剥离石墨烯规模化制备技术进展103

3.4 本章小结109

参考文献110

第4章 石墨烯的分散与应用116

4.1 引言116

4.1.1 石墨烯分散的意义116

4.1.2 石墨烯分散要解决的基本问题116

4.2 石墨烯的物理分散119

4.2.1 石墨烯在溶剂中直接分散-石墨烯在溶剂中直接剥离分散119

4.2.2 石墨烯在溶剂中直接分散-rGO在溶剂中的分散122

4.2.3 表面活性剂分散石墨烯122

4.2.4 表面活性剂分散还原氧化石墨烯123

4.2.5 高分子分散剂123

4.2.6 聚合包覆124

4.2.7 π-π偶合的分散方法126

4.3 化学修饰分散133

4.3.1 GO分散后还原133

4.3.2 GO接枝后还原134

4.3.3 还原石墨烯接枝135

4.3.4 石墨烯接枝139

4.3.5 化学与物理分散之比较142

4.4 石墨烯的分散及在重防腐涂料应用142

4.4.1 石墨烯的高效分散142

4.4.2 石墨烯重防腐涂料143

4.5 本章小结145

参考文献145

第5章 石墨烯储能技术及应用153

5.1 引言153

5.2 石墨烯在锂离子电池中的应用153

5.2.1 锂离子电池简介153

5.2.2 石墨烯电极材料155

5.2.3 石墨烯基复合电极材料158

5.2.4 石墨烯在柔性锂离子电池中的应用167

5.3 石墨烯在超级电容器中的应用170

5.3.1 超级电容器简介170

5.3.2 石墨烯基双电层电容器171

5.3.3 基于石墨烯的赝电容电极材料178

5.3.4 基于石墨烯的混合电容器182

5.4 石墨烯在新概念电池中的应用184

5.4.1 简介184

5.4.2 石墨烯在锂硫电池中的应用185

5.4.3 石墨烯在锂空气电池中的应用192

5.5 本章小结197

参考文献197

第6章 石墨烯基复合润滑材料206

6.1 引言206

6.2 石墨烯的纳米摩擦学性能206

6.2.1 石墨烯的摩擦学性能206

6.2.2 改性石墨烯的纳米摩擦学性能216

6.2.3 环境对石墨烯纳米摩擦性能的影响217

6.3 石墨烯纳米润滑薄膜217

6.3.1 石墨烯纳米润滑薄膜的摩擦学性能217

6.3.2 石墨烯基自组装润滑薄膜219

6.3.3 石墨烯基纳米复合润滑薄膜221

6.4 石墨烯润滑添加剂225

6.4.1 油润滑添加剂226

6.4.2 水润滑添加剂227

6.4.3 其他介质添加剂228

6.5 石墨烯润滑填料233

6.5.1 聚合物复合材料填料233

6.5.2 无机复合材料填料236

6.6 本章小结237

参考文献238

第7章 碳基催化材料及生物质转化应用244

7.1 引言244

7.2 纳米碳催化发展历史245

7.3 纳米碳材料的功能化改性245

7.3.1 羧基化改性方法245

7.3.2 磺酸基改性方法247

7.3.3 碱性改性方法248

7.4 纳米碳催化反应250

7.4.1 烷烃氧化脱氢反应250

7.4.2 液相氧化反应254

7.4.3 电化学氧还原反应256

7.5 纳米碳的酸碱催化259

7.5.1 酸催化259

7.5.2 碱催化261

7.6 功能化纳米碳在生物质转化中的应用264

7.6.1 生物质转化的传统催化技术264

7.6.2 酯化和酯交换反应265

7.6.3 纤维素糖化和糖转化反应266

7.7 本章小结269

参考文献269

第8章 碳基热电材料277

8.1 引言277

8.2 碳基热电材料简介277

8.2.1 热电材料发展历史277

8.2.2 热电材料的研究方法278

8.2.3 碳基热电材料研究进展282

8.3 一维碳基热电材料研究284

8.3.1 超小直径碳纳米管的热电性能284

8.3.2 一系列锯齿形和手性碳纳米管的热电性能287

8.3.3 碳纳米线的热电性能292

8.3.4 碳纳米网络结构的热电性能296

8.4 二维碳基热电材料研究301

8.4.1 石墨烯复合材料的热电性能301

8.4.2 石墨烯、石墨炔的热电性能302

8.5 本章小结311

参考文献311

第9章 碳基荧光材料316

9.1 引言316

9.2 碳基荧光材料的制备与主要特点316

9.2.1 制备方法317

9.2.2 主要特点320

9.2.3 发光性能调控324

9.2.4 发光机理325

9.3 碳基荧光材料的应用327

9.3.1 化学与生物传感327

9.3.2 生物成像与医学诊疗330

9.3.3 光电子器件333

9.4 本章小结335

参考文献336

第10章 碳基膜分离材料的设计、制备和应用345

10.1 引言345

10.1.1 碳基膜材料简介346

10.1.2 碳基膜材料的发展347

10.2 碳膜的研究进展347

10.2.1 碳膜简介347

10.2.2 碳膜的发展348

10.2.3 碳膜的制备348

10.2.4 碳膜的表征353

10.3 氧化石墨烯膜的研究进展354

10.3.1 氧化石墨烯简介354

10.3.2 氧化石墨烯的制备方法355

10.3.3 氧化石墨烯制品结构及制备方法356

10.3.4 氧化石墨烯膜的表征363

10.3.3 金属有机框架与氧化石墨烯复合膜364

10.3.6 聚合物与氧化石墨烯复合膜366

10.4 碳基膜材料的应用368

10.4.1 碳基膜材料在气体分离中的应用368

10.4.2 碳基膜材料在海水淡化中的应用372

10.4.3 碳基膜材料在醇/水分离中的应用376

10.5 本章小结377

参考文献378

第11章 碳基材料的高分子功能化384

11.1 引言384

11.2 碳基材料的表面高分子功能化384

11.2.1 碳基材料表面高分子功能化技术384

11.2.2 刺激响应型高分子功能化的碳基材料391

11.3 高分子功能化碳基复合材料的应用393

11.3.1 高分子功能化碳基材料在聚合物加工中的应用393

11.3.2 高分子功能化碳基材料在生物医用中的应用396

11.3.3 高分子功能化碳基材料在传感检测中的应用397

11.4 二维碳基薄膜材料400

11.4.1 碳基薄膜材料的制备400

11.4.2 碳基薄膜材料的应用403

11.5 本章小结407

参考文献407

第12章 多尺度人造金刚石420

12.1 引言420

12.2 CVD单晶金刚石的合成与工业化应用421

12.2.1 化学气相沉积单晶金刚石的意义421

12.2.2 大块单晶金刚石的批量制备及研究进展425

12.2.3 单晶金刚石的工业化应用前景428

12.3 超细纳米金刚石膜的制备与工业化应用436

12.3.1 超细纳米金刚石生长机理436

12.3.2 大面积UNCD的制备及研究进展438

12.3.3 超细纳米晶金刚石的工业化应用前景445

12.4 金刚石粉体表面功能处理及其工业化应用448

12.4.1 高温高压合成金刚石的发展现状448

12.4.2 金刚石粉体表面功能化研究进展451

12.4.3 功能化金刚石粉体的工业化应用458

12.5 本章小结461

参考文献461