石墨烯材料自下而上的微波合成及其電化學(xué)性能的研究.pdf

1、石墨烯是一種碳原子以sp2雜化形式互相連接，形成六元碳環(huán)平面結(jié)構(gòu)，在平面內(nèi)擴(kuò)展延伸的單原子層厚度的二維材料。石墨烯由于其特殊的碳原子晶體結(jié)構(gòu)，賦予了其優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，如量子霍爾效應(yīng)，高載流子遷移率(15000cm2/(V·s))，高透光性(97.7％)，高導(dǎo)熱性（3000-5000W/m/K），高機(jī)械強(qiáng)度（其拉伸模量約為1TPa）以及最大的理論比表面積(2630m2/g)，并且其在化學(xué)反應(yīng)中具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性。石墨烯這一多功能材

2、料自成功制得以來便受到了廣泛的關(guān)注與研究。
　　當(dāng)前，石墨烯材料的合成途徑主要有自上而下的合成與自下而上的合成，其中自上而下的合成包括:機(jī)械剝離法、氧化還原法、剪開碳納米管法;而自下而上的方法包括:化學(xué)氣相沉積法(CVD)、外延生長(zhǎng)法以及其它方法等。每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)和與其相適應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域。
　　石墨烯材料的摻雜可以有效地打開石墨烯的零帶隙，進(jìn)而擴(kuò)展石墨烯在電子器件方面的應(yīng)用。石墨烯的摻雜分為吸附摻雜與晶格摻雜，其中在晶格

3、摻雜中常用的方法有:CVD法、球磨法、熱處理法、濕化學(xué)法、自下而上的合成法、等離子體法、光化學(xué)法以及電弧放電法等。常見的摻雜原子有N、S、B、F、Cl、Br、I以及多原子共摻雜等。
　　隨著當(dāng)今世界能源危機(jī)與環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，尋找可再生清潔能源，發(fā)展優(yōu)質(zhì)可靠的儲(chǔ)能器件以及有效處理環(huán)境污染的高效技術(shù)，成為解決當(dāng)前面臨的兩大課題的研究重點(diǎn)。其中，燃料電池、超級(jí)電容器以及光催化技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)。燃料電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的有效

4、裝置，具有清潔無污染，能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢(shì)。隨著新能源的有效利用，高效的儲(chǔ)能設(shè)備成為必要設(shè)施，超級(jí)電容器相較于傳統(tǒng)電容器具有可快速充電、使用壽命長(zhǎng)，功率高以及使用溫度范圍寬等特點(diǎn)。對(duì)于解決環(huán)境污染問題，光催化技術(shù)是一種有效手段，一定波長(zhǎng)的光照射到光催化劑上，產(chǎn)生光生電子與空穴，兩者分別發(fā)生還原反應(yīng)與氧化反應(yīng)，進(jìn)而可以用來去除廢水污染物、大氣污染物、殺菌消毒以及產(chǎn)氫等。本文針對(duì)以上問題，結(jié)合所在課題組運(yùn)用微波反應(yīng)器合成納米功能材料的優(yōu)勢(shì)，

5、以有機(jī)小分子為原料，在金屬鈉的作用下，合成了純石墨烯材料、摻雜石墨烯材料、原位生長(zhǎng)了石墨烯與碳納米管的復(fù)合材料以及石墨烯與光催化劑的復(fù)合材料。并對(duì)純石墨烯和摻雜石墨烯作為電催化氧還原活性進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)石墨烯與碳納米管復(fù)合材料的雙電層電容性能進(jìn)行了測(cè)試，以及對(duì)石墨烯與光催化劑復(fù)合材料在去除NOx污染物的光催化活性進(jìn)行了測(cè)試。
　　本文的內(nèi)容主要有以下幾部分:
　　首先，以甲醇為碳源在微波反應(yīng)器中自下而上的合成了純石墨烯材料，并

6、對(duì)其進(jìn)行了XRD、SEM、TEM、RM、FTIR、AFM、XPS以及BET等相關(guān)表征，得到了石墨烯的形貌、缺陷度、表面基團(tuán)、厚度、碳原子成鍵情況以及比表面積等信息，從而證明成功合成了石墨烯材料。在此基礎(chǔ)上，分別換用乙醇、乙二醇、丙三醇以及異丙醇為碳源合成了不同形貌的石墨烯，進(jìn)一步拓展了該方法的應(yīng)用范圍。經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)以及結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，提出了微波法合成石墨烯材料的反應(yīng)機(jī)理。最后選取甲醇為碳源合成的石墨烯材料進(jìn)行了氧還原性能的測(cè)試，測(cè)試表明

7、該材料具有良好的氧還原響應(yīng)，抗甲醇毒化性以及循環(huán)穩(wěn)定性，并通過K-L方程計(jì)算得該電催化過程為一步四電子的動(dòng)力學(xué)歷程。
　　其次，選取含N有機(jī)物N，N-二甲基甲酰胺，三乙醇胺，含S有機(jī)物二甲亞砜采用單一原料的方法，微波合成了N摻雜石墨烯及S摻雜石墨烯;以乙醇為碳源，B2O3為B源，采用外加B源的方法微波合成了B摻雜石墨烯，并通過XPS表征測(cè)定了雜原子的摻雜量及其成鍵形式。對(duì)不同的摻雜石墨烯進(jìn)行電催化氧還原性能的測(cè)試，表明合成的摻雜石

8、墨烯具有很好的氧還原響應(yīng)及抗甲醇性能，經(jīng)K-L方程計(jì)算，樣品的電催化反應(yīng)過程為一步四電子的反應(yīng)歷程。
　　再次，以甲醇和三乙醇胺為原料，碳納米管為硬模板原位生長(zhǎng)合成了石墨烯與碳納米管的復(fù)合材料。對(duì)合成的復(fù)合材料進(jìn)行了相關(guān)表征及其雙電層電容性質(zhì)的測(cè)試，根據(jù)電容值的大小得到了碳管加入量的最優(yōu)值。
　　最后，以乙醇為碳源，鈦酸異丙酯為鈦源，微波法原位合成了石墨烯與鈦的氧化物的復(fù)合材料，通過電鏡表征發(fā)現(xiàn)鈦的氧化物生長(zhǎng)在石墨烯的邊緣及