本文關(guān)鍵詞： 石墨烯 摻氮石墨烯 高溫自蔓延合成 鐵磁性　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：石墨烯是一類由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)材料。自2004年被發(fā)現(xiàn)以來(lái),已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)科學(xué)及理論科學(xué)等多方面受到了極大的關(guān)注。由于石墨烯材料具有較特殊的納米結(jié)構(gòu)及諸多優(yōu)異的性能,使其已經(jīng)在光學(xué)、電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、儲(chǔ)能、傳感器及磁性等諸多領(lǐng)域顯示出了巨大的應(yīng)用潛能。目前通常采用的石墨烯制備方法有微機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)氧化還原法等�；瘜W(xué)氣相沉積法可以合成結(jié)構(gòu)完整的少層石墨烯,但該方法對(duì)設(shè)備要求高,而且操作復(fù)雜;化學(xué)氧化還原法的操作過(guò)程較簡(jiǎn)單,但合成的石墨烯缺陷較多,石墨烯無(wú)法完全還原;機(jī)械剝離法制得的石墨烯層數(shù)較薄,質(zhì)量好,但產(chǎn)量很低。本文采用了一種遠(yuǎn)離平衡態(tài)的高溫自蔓延合成法(SHS)制備石墨烯及摻氮石墨烯,并用X-射線衍射(XRD)、拉曼光譜(Raman)、X-射線光電子能譜(XPS)、掃描電子顯微鏡(SEM)及透射電子顯微鏡(TEM)等測(cè)試方法對(duì)其組織形貌進(jìn)行表征。同時(shí)利用超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)對(duì)石墨烯進(jìn)行磁性檢測(cè)�？疾炝瞬煌壤胺N類的碳源、氮源對(duì)石墨烯及摻氮石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)、元素組成含量及性質(zhì)的影響,并圍繞高溫自蔓延合成法制得的石墨烯及摻氮石墨烯所具備的獨(dú)特的鐵磁性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究。以碳酸鈣、葡萄糖、蔗糖和淀粉為碳源,采用高溫自蔓延合成法制備少層石墨烯,石墨烯為多褶皺的3D結(jié)構(gòu),層數(shù)在10層以下。在TEM圖中可以明顯看出,石墨烯片層的生長(zhǎng)是以氧化鎂等反應(yīng)產(chǎn)物為模板,圍繞其周圍進(jìn)行生長(zhǎng)的。通過(guò)對(duì)得到的石墨烯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征可以看出,不同碳源及不同反應(yīng)物比例均能夠?qū)κ┑奈⒂^結(jié)構(gòu)及缺陷密度有明顯的影響。標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)計(jì)量比的反應(yīng)物制得的石墨烯的片層尺寸更大,結(jié)構(gòu)更完整。普魯士藍(lán)或尿素為氮源,以碳酸鈣為碳源,采用高溫自蔓延合成法制備摻氮石墨烯。從SEM和TEM圖可以看出,摻氮石墨烯結(jié)構(gòu)中褶皺較多。隨著氮含量的增加,摻氮石墨烯片層尺寸更小,層數(shù)更薄。以普魯士藍(lán)為氮源只能制備得到氮含量較低的摻氮石墨烯,氮含量小于1 at.%。尿素可以作制備高摻氮量的摻氮石墨烯較為理想的氮源。以尿素為氮源制備得到的摻氮石墨烯中的氮含量可以隨著反應(yīng)物比例不同發(fā)生明顯變化,氮含量最高可以達(dá)到11.17 at.%。對(duì)摻氮石墨烯元素含量分析可以看出,氮原子多以吡咯氮的結(jié)構(gòu)形式存在,且吡咯氮的比例隨著氮含量的增加而增加。石墨烯磁性研究表明,石墨烯的室溫最高飽和磁化強(qiáng)度為0.19 emu/g,矯頑力為102.53 Oe,且其鐵磁性能在一定溫度下(400 K)相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)石墨烯進(jìn)行真空熱還原-高溫氧化處理后,化學(xué)計(jì)量比反應(yīng)物制得的石墨烯(G 2)的飽和磁化強(qiáng)度隨著處理溫度的增加而減小,非化學(xué)計(jì)量比反應(yīng)物制得的石墨烯(G 3)的飽和磁化強(qiáng)度隨著熱處理溫度的增加而逐漸增加。通過(guò)分析磁性與缺陷類型間相互關(guān)系可以看出,隨著溫度增加,化學(xué)計(jì)量比反應(yīng)物制得的石墨烯的拉曼缺陷減少,紅外缺陷沒(méi)有明顯變化;非化學(xué)計(jì)量比反應(yīng)物制得的石墨烯的拉曼缺陷減少,紅外缺陷增加。因此可以證明,石墨烯磁性強(qiáng)度的影響因素包含碳六元環(huán)破壞引起的缺陷及含氧官能團(tuán)引起的缺陷兩個(gè)方面,是兩種缺陷共同作用的結(jié)果。以尿素為氮源制得的氮含量最高的摻氮石墨烯(N-G 5,氮含量11.17 at.%)在室溫下的飽和磁化強(qiáng)度為0.32 emu/g,矯頑力為192.56 Oe,居里溫度為673 K。摻氮石墨烯的居里溫度隨著氮含量增加而有所增加。對(duì)氮含量較高的摻氮石墨烯(G 5)進(jìn)行真空熱還原-高溫氧化處理后,可以看出其飽和磁化強(qiáng)度明顯降低,通過(guò)對(duì)其中元素含量及結(jié)構(gòu)分析后可以看出,在600K溫度時(shí),多數(shù)吡咯氮轉(zhuǎn)化成為吡啶氮,在650K-700K溫度之間,摻氮石墨烯的氮含量發(fā)生明顯下降。氮元素的含量降低及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是摻氮石墨烯熱處理后磁性降低的主要原因之一。
[Abstract]:This paper studies the microstructure , chemical vapor deposition , chemical oxidation and reduction of graphene and carbon doped graphene by high temperature self - propagating synthesis method . The saturation magnetization of graphene ( G _ 3 ) prepared by the reactants was decreased with the increase of the treatment temperature , and the saturation magnetization of graphene ( G _ 3 ) was decreased with the increase of the treatment temperature .

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TQ127.11

【參考文獻(xiàn)】

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1 司晨;陳鵬程;段文暉;;石墨烯材料的電子功能化設(shè)計(jì):第一原理研究進(jìn)展[J];科學(xué)通報(bào);2013年35期

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本文編號(hào)：1497200