本發(fā)明涉及石墨烯制備，尤其是涉及一種制備石墨烯的智能方法。

背景技術(shù)：

1、石墨烯作為一種新型二維材料，因其優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械性能，在電子、能源、材料科學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。然而，根據(jù)特定需求，大規(guī)模制備特定性質(zhì)的石墨烯仍存在諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的石墨烯制備方法，如化學(xué)氣相沉積和機(jī)械剝離，通常需要復(fù)雜的工藝步驟和嚴(yán)格的控制條件，制備效率低，難以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。盡管超聲剝離法較為簡便且具備實現(xiàn)大規(guī)模制備的潛力，但需不斷調(diào)整超聲功率、時間、溶劑和溫度等參數(shù)，才能獲得具有特定性質(zhì)的石墨烯(如特定的官能團(tuán)、層數(shù)和尺寸)，重復(fù)性的實驗使得操作過程復(fù)雜且耗時。

2、石墨烯的官能團(tuán)、層數(shù)和尺寸的差異，導(dǎo)致其性質(zhì)存在顯著區(qū)別，從而影響其具體應(yīng)用。由于每種特定性質(zhì)的石墨烯具有特定的x射線衍射(xrd)、傅里葉變換紅外光譜(ftir)表征結(jié)果，現(xiàn)有技術(shù)通常通過xrd、ftir表征實現(xiàn)對石墨烯性質(zhì)的研究。但是，由于實驗中xrd及ftir是針對官能團(tuán)含量、官能團(tuán)分布的一種集合性描述。例如，羧基、環(huán)氧基等不同官能團(tuán)的碳氧單鍵均在1000cm-1波數(shù)位置存在吸收峰，因此，僅通過實驗xrd及ftir表征難以定量定性描述官能團(tuán)含量、官能團(tuán)分布。

3、現(xiàn)有的分子動力學(xué)模擬技術(shù)能夠基于特定的石墨烯分子結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行xrd及ftir譜圖的模擬計算并同實驗數(shù)據(jù)擬合，從而得到能夠描述實驗制備石墨烯的分子結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)而精準(zhǔn)獲取官能團(tuán)、層數(shù)和尺寸信息。但是現(xiàn)有的傳統(tǒng)的經(jīng)驗勢函數(shù)在精度上存在局限性，難以準(zhǔn)確預(yù)測石墨烯的復(fù)雜性質(zhì)，計算結(jié)果同實驗結(jié)果差距較大。盡管現(xiàn)有的密度泛函理論(dft)在模擬精度上表現(xiàn)優(yōu)異，但基于電荷密度的自洽場收斂計算量大，難以用于分子量較大的石墨烯模型模擬計算。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種制備石墨烯的智能方法，該方法能夠精確表征石墨烯的物理化學(xué)性質(zhì)，提高石墨烯的制備效率和質(zhì)量。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種制備石墨烯的智能方法，該方法包括下列步驟：

3、s1、選擇富碳材料；

4、s2、對步驟s1所選的富碳材料進(jìn)行超聲剝離，生成石墨烯片；

5、s3、調(diào)整剝離參數(shù)，生成不同剝離參數(shù)下對應(yīng)的石墨烯片；記錄每次調(diào)整的剝離參數(shù)，形成合成參數(shù)數(shù)據(jù)集；

6、s4、分別使用xrd分析法、ftir分析法以及測量碳氧比法對步驟s3生成的石墨烯片進(jìn)行表征，得到每個石墨烯樣品的實驗表征數(shù)據(jù)，所述的實驗表征數(shù)據(jù)包括表征xrd圖譜、表征ftir圖譜以及表征碳氧比數(shù)據(jù)；

7、s5、記錄每個石墨烯樣品所對應(yīng)的實驗表征數(shù)據(jù)，形成石墨烯表征數(shù)據(jù)集；

8、s6、將合成參數(shù)數(shù)據(jù)集以及石墨烯表征數(shù)據(jù)集進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并輸入到深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)中；

9、s7、利用所述深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)的勢函數(shù)隨機(jī)生成大批量隨機(jī)結(jié)構(gòu)的石墨烯分子模型；

10、s8、對每個所述的石墨烯分子模型進(jìn)行分子動力學(xué)模擬，獲得對應(yīng)的模擬數(shù)據(jù)，所述模擬數(shù)據(jù)包括模擬xrd圖譜、模擬ftir圖譜以及模擬碳氧比；

11、s9、基于步驟s8得到的模擬數(shù)據(jù)，從步驟s7得到的大批量石墨烯分子模型中識別出與每個實驗表征數(shù)據(jù)匹配的石墨烯分子模型；

12、s10、將識別出的石墨烯分子模型與合成參數(shù)數(shù)據(jù)集關(guān)聯(lián)，根據(jù)識別出的石墨烯分子模型，創(chuàng)建一個包含剝離參數(shù)以及石墨烯分子模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫；所述的石墨烯分子模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括石墨烯官能團(tuán)、層數(shù)以及尺寸；

13、s11、用戶輸入所需的石墨烯結(jié)構(gòu)參數(shù)，所述深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)從所述數(shù)據(jù)庫中檢索出對應(yīng)的剝離參數(shù)，根據(jù)檢索得到的剝離參數(shù)來制備所需的石墨烯片。

14、本發(fā)明的有益效果是：通過智能設(shè)計和優(yōu)化剝離參數(shù)，自動化調(diào)整超聲功率、時間、溶劑和溫度等參數(shù)，減少了試驗次數(shù)和時間，提高了制備效率，能夠更高效地制備高質(zhì)量的石墨烯片；采用深度學(xué)習(xí)勢函數(shù)進(jìn)行分子動力學(xué)模擬，其精度接近密度泛函理論(dft)，大大提高了模擬結(jié)果的可靠性；相比傳統(tǒng)的勢函數(shù)方法，深度學(xué)習(xí)勢函數(shù)能夠更準(zhǔn)確地捕捉石墨烯的物理化學(xué)特性，減少模擬誤差；通過高精度模擬，能夠更好地預(yù)測和理解石墨烯的結(jié)構(gòu)和性能，為實驗設(shè)計提供了重要參考；建立制備參數(shù)-石墨烯性質(zhì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫，用戶可以輸入期望的石墨烯性質(zhì)，系統(tǒng)會自動提供優(yōu)化的制備參數(shù)，大幅度提高了石墨烯制備過程的可控性和重復(fù)性，節(jié)省了研究人員的時間和資源。

15、作為優(yōu)選，在步驟s9中，所述的從步驟s7得到的大批量石墨烯分子模型中識別出與每個實驗表征數(shù)據(jù)匹配的石墨烯分子模型的具體過程包括下列步驟：

16、s7.1、針對每個表征xrd圖譜和每個表征ftir圖譜，由實驗表征所得的一個表征xrd圖譜和一個表征ftir圖譜分別構(gòu)成實驗xrd文本文件和實驗ftir文本文件，由模擬所得的所有模擬xrd圖譜和所有模擬ftir圖譜分別構(gòu)成模擬xrd文本文件和模擬ftir文本文件，所述實驗xrd文本文件包含2×n型xrd矩陣，所述模擬xrd文本文件分別包含各自的2×n型及m×2×n型xrd矩陣，所述實驗ftir文本文件包含2×n型ftir矩陣，所述模擬ftir文本文件中包含m×2×n型ftir矩陣；

17、s7.2、通過四點(diǎn)差分法，對步驟s7.1中所得的所有模擬m×2×n型矩陣以及所有的2×n型矩陣進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)計算，再通過五點(diǎn)差分法進(jìn)行二階導(dǎo)數(shù)計算，得到每個矩陣對應(yīng)的二階導(dǎo)數(shù)結(jié)果；根據(jù)所述的二階導(dǎo)數(shù)結(jié)果分別進(jìn)行極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)判斷，得到一個表征xrd圖譜的峰位置、一個表征ftir圖譜的峰位置、每個模擬xrd圖譜的峰位置以及每個模擬ftir圖譜的峰位置；

18、s7.3、將步驟s7.2得到的表征xrd圖譜峰位置分別和每個模擬xrd圖譜峰位置進(jìn)行差異對比，若差距小于±0.1°，且將步驟s7.2得到的表征ftir圖譜峰位置分別和每個模擬ftir圖譜峰位置進(jìn)行差異對比，若差距小于±5cm-1，則認(rèn)為該模擬數(shù)據(jù)和實驗表征數(shù)據(jù)匹配，則模擬數(shù)據(jù)對應(yīng)的石墨烯分子模型與該實驗表征數(shù)據(jù)匹配。

技術(shù)特征：

1.一種制備石墨烯的智能方法，其特征在于：該方法包括下列步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備石墨烯的智能方法，其特征在于：在步驟s9中，所述的從步驟s7得到的大批量石墨烯分子模型中識別出與每個實驗表征數(shù)據(jù)匹配的石墨烯分子模型的具體過程包括下列步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種制備石墨烯的智能方法，包括：選擇富碳材料；對富碳材料進(jìn)行超聲剝離，生成石墨烯片；調(diào)整剝離參數(shù)形成合成參數(shù)數(shù)據(jù)集；分別使用X射線衍射(XRD)分析法、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析法以及測量碳氧比法對生成的石墨烯片進(jìn)行表征，形成石墨烯表征數(shù)據(jù)集；隨機(jī)生成大批量隨機(jī)結(jié)構(gòu)的石墨烯分子模型，對每個石墨烯分子模型進(jìn)行分子動力學(xué)模擬，獲得對應(yīng)的模擬數(shù)據(jù)；從大批量石墨烯分子模型中識別出與每個實驗表征數(shù)據(jù)匹配的石墨烯分子模型，創(chuàng)建據(jù)庫；輸入所需的石墨烯結(jié)構(gòu)參數(shù)，所述深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)從所述數(shù)據(jù)庫中檢索出對應(yīng)的剝離參數(shù)；該方法提高了制備效率，能夠更高效地制備高質(zhì)量的石墨烯片。

技術(shù)研發(fā)人員：馮增興,吳韜,肖禹欽
受保護(hù)的技術(shù)使用者：寧波諾丁漢大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2