刻孔石墨烯是指在二維的石墨烯上引入納米級孔洞,獲得帶有孔洞的石墨烯材料。相比傳統(tǒng)的石墨烯,刻孔石墨烯獨特的孔的引入增加了比表面積、產(chǎn)生更多的缺陷,產(chǎn)生更多的活性位點,使得活性物質(zhì)在層與層之間有擴散的路徑,拓展了石墨烯在電催化、電化學(xué)儲能方面的應(yīng)用,特別是原子級別的孔可以起到篩分不同尺寸的離子、分子的作用,在氣體分離方面具有應(yīng)用前景�？椎囊�,有效地打開了石墨烯的能帶隙,改變了石墨烯的惰性化學(xué)性質(zhì),這極大促進了石墨烯在電子器件領(lǐng)域的推廣。對刻孔石墨烯進行N摻雜可以增加表面的活性位點,在增強石墨烯的導(dǎo)電性,使其在容量特性、快速充放電能力以及循環(huán)壽命方面得到提高。本論文研究刻蝕條件與制備刻孔石墨烯結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,利用不同的氮源對刻孔石墨烯進行摻雜,研究孔結(jié)構(gòu)及氮源對氮摻雜刻孔石墨烯的影響。創(chuàng)新點是改變刻蝕劑調(diào)節(jié)孔的密度和結(jié)構(gòu),來改變氮摻雜量的高低,以及氮的結(jié)構(gòu),還可以改變氮源調(diào)整摻雜形式,我們進行了電化學(xué)性能測試,發(fā)現(xiàn)氮摻雜刻孔石墨烯用于超級電容器及鋰離子電池的電極材料,表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。具體的研究內(nèi)容如下:（1）刻孔石墨烯的制備。實驗以氧化石墨烯作為原料,在其中加入不同的金屬鹽,在進行冷凍... 

【文章來源】：山東理工大學(xué)山東省

【文章頁數(shù)】：76 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

石墨烯材料的應(yīng)用領(lǐng)域圖

山東理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第一章緒論4(2)刻孔石墨烯獨特的孔結(jié)構(gòu)，使得離子能跨越層與層之間運輸，有效促進電解液層間傳輸、縮短了傳輸路徑。(3)刻孔石墨烯的獨特孔結(jié)構(gòu)，本身就是一種缺陷，適合進行摻雜和復(fù)合，利用這個優(yōu)勢可以和其他電極材料組合在一起，結(jié)合二者的優(yōu)勢，利用刻孔材料的大比表面積和機械強度來改善氧化物的穩(wěn)定性，增強它的機械強度。1.3.1刻孔石墨烯的結(jié)構(gòu)及制備方法圖1.2金屬納米粒子鎳刻蝕石墨烯切割機理示意圖[17]Fig.1.2Schematicdiagramofmetalnanoparticlenickeletchinggraphenecuttingmechanism[17]根據(jù)刻蝕機理不同，采用的制備方法與反應(yīng)條件各異，刻孔石墨烯在孔的結(jié)構(gòu)、密度、孔分布及孔的形態(tài)和尺寸上會有明顯的差異，圖1.2是金屬納米粒子鎳刻蝕石墨烯切割機理示意圖，Ni納米粒子像一把小刀切割石墨烯。圖1.3(a)圖是電子束刻蝕法制備的刻孔石墨烯樣品的TEM圖[1,18]，該方法的制備原理是利用電子束來精準(zhǔn)刻蝕，如圖所示，孔直徑大約控制在5nm左右，孔洞周圍的碳層仍維持了高度的晶格結(jié)構(gòu)，說明該條件下，石墨烯的結(jié)構(gòu)保持完整，保證了刻孔石墨烯片的穩(wěn)定性；圖1.2(b)圖是通過碳熱還原機理制備的刻孔石墨烯的TEM圖[1,19]，可以看出孔的尺寸是幾納米到十幾納米左右，該方法的優(yōu)勢是以氧化鋅顆粒為模板，其極容易和石墨烯分離，可以通過控制氧化鋅模板的調(diào)控來控制孔密度、孔間距及孔尺寸，孔尺寸均一，分布較有規(guī)律；圖1.2(c)圖是有KMnO4刻蝕得到的刻孔石墨烯材料的SEM圖[20]，該方法制備的多孔石墨烯材料的比表面積遠遠大于純石墨烯的比表面積，中孔結(jié)構(gòu)賦予了電解質(zhì)離子的高速傳輸，使其具有優(yōu)異的電化學(xué)性能[1]；圖1.2(d)中是硝酸氧化法所得刻孔石墨烯的AFM圖[1,21]，從樣品的片層上可以看到密集卻

山東理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第一章緒論5性較高的缺陷區(qū)，余下片層上的碳原子sp2雜化程度較高。圖1.3不同方法制備的多孔石墨烯示意圖（a）電子束刻蝕法樣品的TEM圖[18]（b）碳熱還原法制備的樣品的TEM圖[19]（c）MnO2刻蝕的樣品的SEM圖[20]（d）硝酸氧化樣品的AFM圖[21]Fig.1.3Structuresofholeygraphene:(a)TEMimageofasuspendedgraphenesheetwithmultiplenanopores;(b)TEMimageofporousgraphenethroughcarbothermalreductionetching;(c)SEMimageofporousgrapheneusingtheetchingofgraphenesheetsbyMnO2;(d)AFMimageofHGviaHNO3oxidation目前有很多物理/化學(xué)方法均可以得到刻孔石墨烯，由于制備原理的不同，借助不借助模具，可以把這些方法分為模板法和無模板法。這些方法大多以石墨烯或者氧化石墨烯為前驅(qū)體[1]，利用石墨烯基本理化性質(zhì)的基礎(chǔ)上不同程度地借鑒了其它多孔材料的制備方法，此外還存在以碳質(zhì)小分子為前驅(qū)體，通過自下而上的自組裝得到多孔石墨烯的方法。模板法主要包括光電子刻蝕、化學(xué)氣相沉積法[22]等，適于制備具有高度有序性孔結(jié)構(gòu)的多孔石墨烯，但這些方法往往高成本、低產(chǎn)率、操作復(fù)雜，對儀器設(shè)備和環(huán)境條件的要求較高[1]，而且孔的形成以犧牲模板為代價，殘留模板會影響多孔石墨烯的性能；無模板法大多低成本、高產(chǎn)率、操作簡便，但其對石墨烯片層上孔結(jié)構(gòu)的控制較差，得到的多是孔無序分布、尺寸不一的多孔石墨烯。無模板法主要包括電子束自組裝[23]、電子/離子刻蝕[24]、化學(xué)氧化法[25-28]、物理活化法[29-31]等。以下我們主要從這兩方面進行介紹多孔石墨烯的制備方法。


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