低溫制備摻雜石墨烯.pdf

1、2004年英國(guó)Manchester大學(xué)的Geim等人發(fā)現(xiàn)單層石墨烯,并因此獲得了2010年的諾貝爾獎(jiǎng)。這一發(fā)現(xiàn)立刻震撼了科學(xué)界,隨后這種新型碳材料成為材料學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。化學(xué)氣相沉積(CVD)是制備大面積、高質(zhì)量石墨烯的有效方法,目前CVD生長(zhǎng)石墨烯存在的問(wèn)題是反應(yīng)溫度高(~1000℃),這對(duì)設(shè)備及操作具有較高的要求,因此低溫生長(zhǎng)石墨烯具有重要的意義。針對(duì)這一問(wèn)題,本文研究采用芳香化合物為原料,低溫制備氮摻雜與硫摻雜的石墨

2、烯,對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行表征,并進(jìn)一步研究了反應(yīng)機(jī)理,取得了一系列重要的創(chuàng)新性的研究成果:
　　分別采用五氯吡啶與四溴噻吩作為碳源,成功地在230℃和300℃下制備出了大面積、高質(zhì)量且均一性良好的氮摻雜與硫摻雜石墨烯。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行的一系列表征表明,所制備的氮摻雜石墨烯主要以單層為主,其厚度約為0.8~1.2納米,其透光率約為97.4％,氮元素原子含量約為7.3%;而所制備的硫摻雜石墨烯為多晶石墨烯,并且為單層與多層混合的石墨烯為主,

3、硫元素原子含量約為1.7%。在反應(yīng)溫度和摻雜元素比率方面上相比于之前的研究都有所進(jìn)步。
　　通過(guò)分別對(duì)它們進(jìn)行的FET性能測(cè)試表明,相對(duì)于本征石墨烯,它們都顯示出n型半導(dǎo)體的特性,這是由于氮元素或硫元素的摻雜造成的,與理論預(yù)測(cè)相一致。其中氮摻雜石墨烯的在真空中的狄拉克點(diǎn)位置在-30V,載流子遷移率為364cm2V-1 s-1,開(kāi)關(guān)比約為1.4;而硫摻雜石墨烯的在真空中的狄拉克點(diǎn)位置在-31.6V,載流子遷移率為9.5cm2V-1

4、s-1,開(kāi)關(guān)比約為1.08。
　　通過(guò)對(duì)基于硫摻雜石墨烯陰極催化劑的研究表明,我們所制備的硫摻雜石墨烯在0.1M的KOH氧氣飽和溶液中,當(dāng)掃描速率為100mV/s時(shí)其還原電位在-0.32V,高于本征石墨烯的還原電位(-0.4V),說(shuō)明其具有比本征石墨烯具有更好的電催化能力。經(jīng)計(jì)算得到其在氧化還原反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移個(gè)數(shù)為3.6,該計(jì)算結(jié)果與理論上的將氧氣還原成氫氧根離子的4個(gè)電子遷移數(shù)十分接近。在經(jīng)過(guò)了連續(xù)10000秒的催化反應(yīng)后,其相