本文關(guān)鍵詞：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

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【摘要】：石墨烯是一種碳原子以sp~2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(15000cm~2/(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(2630 m~2/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,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),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NO_x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,B_2O_3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ki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)鈦的氧化物生長在石墨烯的邊緣及表面。對(duì)合成的復(fù)合材料進(jìn)行光催化活性測(cè)試,結(jié)果顯示該催化劑在420 nm的可見光下具有很好的NO_x去除效果。
【關(guān)鍵詞】：石墨烯 微波 摻雜 復(fù)合 氧還原 儲(chǔ)能 光催化
【學(xué)位授予單位】：上海師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O643.36;O613.71
【目錄】：

• 摘要2-4
• Abstract4-15
• 第一章 緒論15-28
• 1.1 前言15
• 1.2 石墨烯15-20
• 1.2.1 石墨烯的性質(zhì)15-16
• 1.2.2 石墨烯的制備方法16-19
• 1.2.3 微波技術(shù)19-20
• 1.3 摻雜石墨烯及其電催化氧還原性能20-23
• 1.3.1 石墨烯摻雜20-21
• 1.3.2 摻雜石墨烯的制備方法21-22
• 1.3.3 燃料電池22-23
• 1.4 石墨烯/碳納米管復(fù)合材料及其儲(chǔ)能性質(zhì)23-25
• 1.4.1 超級(jí)電容器23-25
• 1.4.2 石墨烯/碳納米管復(fù)合材料的制備及其儲(chǔ)能性質(zhì)的研究25
• 1.5 石墨烯/光催化半導(dǎo)體氧化物復(fù)合材料及其光催化性能25-28
• 1.5.1 光催化25-26
• 1.5.2 石墨烯與光催化半導(dǎo)體氧化物復(fù)合材料26-28
• 第二章 純石墨烯材料自下而上的微波合成及其電催化氧還原性能的研究28-43
• 2.1 引言28-29
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分29-31
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品29
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器29
• 2.2.3 甲醇分子為碳源微波合成純石墨烯材料29-30
• 2.2.4 其他醇類分子為碳源合成石墨烯30
• 2.2.5 電催化氧還原反應(yīng)（ORR）圓盤電極的處理與涂樣30-31
• 2.3 石墨烯的表征31-38
• 2.3.1 X射線粉末衍射分析31-32
• 2.3.2 掃描電子顯微鏡測(cè)試32
• 2.3.3 透射電子顯微鏡測(cè)試32-33
• 2.3.4 拉曼光譜測(cè)試33-34
• 2.3.5 傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜34
• 2.3.6 原子力顯微鏡測(cè)試34-35
• 2.3.7 Gr_(MeOH)樣品的X射線光電子能譜測(cè)試35-36
• 2.3.8 N_2等溫吸脫附測(cè)試36-37
• 2.3.9 其他醇類分子為碳源合成石墨烯的SEM測(cè)試37-38
• 2.4 合成機(jī)理38-39
• 2.5 石墨烯材料的電催化氧還原測(cè)試39-42
• 2.5.1 旋轉(zhuǎn)圓盤電極39
• 2.5.2 N_2和O_2飽和氛圍下的循環(huán)伏安測(cè)試39-40
• 2.5.3 不同轉(zhuǎn)速下的線性掃描測(cè)試40-41
• 2.5.4 抗甲醇性及循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試41-42
• 2.6 本章小結(jié)42-43
• 第三章 摻雜石墨烯自下而上的微波合成及其電催化氧還原性能研究43-55
• 3.1 前言43
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分43-45
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品43-44
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器44
• 3.2.3 N摻雜石墨烯的制備44
• 3.2.4 S摻雜石墨烯的制備44
• 3.2.5 B摻雜石墨烯的制備44-45
• 3.2.6 電催化氧還原工作電極的制備45
• 3.3 N摻雜石墨烯的表征45-48
• 3.3.1 N-Gr_(DMF)與N-Gr_(TEA)的XRD表征45
• 3.3.2 N-Gr_(DMF)與N-Gr_(TEA)的SEM與TEM表征45-46
• 3.3.3 N-Gr_(DMF)與N-Gr_(TEA)的RM測(cè)試46-47
• 3.3.4 N-Gr_(DMF)與N-Gr_(TEA)的XPS表征47-48
• 3.4 S摻雜石墨烯(S-Gr_(DMSO))的表征48-49
• 3.4.1 S-Gr_(DMSO)的XRD和RM表征48
• 3.4.2 S-Gr_(DMSO)的SEM和TEM表征48-49
• 3.4.3 S-Gr_(DMSO)的XPS表征49
• 3.5 B摻雜石墨烯的表征49-50
• 3.5.1 B-Gr的SEM表征49-50
• 3.5.2 B-Gr的XRD與XPS表征50
• 3.6 摻雜石墨烯材料的氧還原性能測(cè)試50-54
• 3.6.1 N_2和O_2飽和氛圍下的循環(huán)伏安測(cè)試50-51
• 3.6.2 不同轉(zhuǎn)速下的LSV及抗甲醇性能測(cè)試51-54
• 3.7 本章小結(jié)54-55
• 第四章 石墨烯/碳納米管復(fù)合材料的微波法原位快速合成及其儲(chǔ)能性質(zhì)的研究55-60
• 4.1 前言55
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分55-57
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品55-56
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器56
• 4.2.3 復(fù)合材料微波法原位合成過程56
• 4.2.4 電容測(cè)試工作電極的制備56-57
• 4.3 石墨烯/碳納米管復(fù)合材料的表征57-58
• 4.3.1 復(fù)合材料的SEM表征57
• 4.3.2 復(fù)合材料比表面積的測(cè)試57-58
• 4.4 石墨烯/碳納米管復(fù)合材料儲(chǔ)能性質(zhì)的測(cè)試58-59
• 4.4.1 CV與GC測(cè)試58-59
• 4.5 本章小結(jié)59-60
• 第五章 石墨烯/氧化鈦(Gr/TiO_x)復(fù)合材料的微波法原位快速合成及其光催化性能的研究60-66
• 5.1 引言60
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分60-61
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品60-61
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器61
• 5.2.3 Gr/TiO_x的微波法原位合成61
• 5.3 Gr/TiO_x的表征61-63
• 5.3.1 微波原位合成的Gr/TiO_x的SEM測(cè)試61-62
• 5.3.2 微波原位合成的Gr/TiO_x的SEM能譜分析62
• 5.3.3 二次微波產(chǎn)物Gr/TiO_x-150的表征62-63
• 5.4 光催化去除NO_x性能的測(cè)試63-64
• 5.5 本章小結(jié)64-66
• 第六章 總結(jié)與展望66-69
• 參考文獻(xiàn)69-80
• 致謝80-81
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷81-82

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