石墨烯片層具有特殊的物理、化學(xué)性質(zhì),但這并不意味著由石墨烯組裝而成的器件就會(huì)展現(xiàn)出高的性能。根據(jù)應(yīng)用的需求,我們以石墨烯片層為構(gòu)筑單元,對(duì)其進(jìn)行微觀、宏觀結(jié)構(gòu)調(diào)控及功能化,為尋求高效的能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換材料提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。主要研究?jī)?nèi)容如下:一、石墨烯基材料的微觀調(diào)控石墨烯的微觀調(diào)控,也叫本征調(diào)控,通過(guò)改變基元碳的化學(xué)環(huán)境,使其性質(zhì)發(fā)生變化,以產(chǎn)生有別于原始石墨烯的功能。主要包括雜原子摻雜,缺陷以及尺寸的控制。1.作為鋰離子電池負(fù)極材料,商業(yè)石墨的理論容量較低。我們利用原位剝離碳膠囊的方法制備出N,S共摻雜的“石墨烯片-納米膠囊”結(jié)構(gòu)。N,S元素的摻雜,小尺寸石墨烯片中大量的邊緣結(jié)構(gòu),膠囊壁上豐富的缺陷,以及碳膠囊本身保持的高導(dǎo)電性,使該材料成為具有高容量,長(zhǎng)壽命和優(yōu)越倍率性能的儲(chǔ)鋰負(fù)極材料。2.開(kāi)發(fā)出高摻N量的類石墨烯膠囊,較大的比表面積和高的N含量使該材料可以作為高效的氧還原反應(yīng)催化劑和鋰離子電池負(fù)極材料。另外,制備膠囊過(guò)程中,在類石墨烯片層上原位生長(zhǎng)了竹節(jié)狀碳納米管須,得到了碳管包覆石墨烯膠囊的海膽狀結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生大量的微孔、介孔和缺陷。樣品維持了高的摻氮量的同時(shí),導(dǎo)電性有所提高。這些特點(diǎn)為材料作為高效氧還原反應(yīng)催化劑和鋰離子電池負(fù)極材料提供了豐富的活性位點(diǎn)、快速的電子傳輸和物質(zhì)交換路徑,使組成器件性能上有很大的突破。二、石墨烯宏觀結(jié)構(gòu)組裝的研究一維的纖維狀石墨烯質(zhì)量輕,可編織,易功能化;多孔、網(wǎng)絡(luò)狀的三維石墨烯具有導(dǎo)電性好、比表面積大、可壓縮等特點(diǎn)。我們研究了石墨烯的一維和三維宏觀組裝。1.利用雙重區(qū)域限定的方法,首次制備出直徑可控的一維石墨烯微米管。這種具有超輕、超強(qiáng)、高導(dǎo)電性、好的柔韌性等特點(diǎn)的微米管可以被塑形成分級(jí)、多通道結(jié)構(gòu);同時(shí)我們還對(duì)所得微米管成功進(jìn)行了靶向功能化修飾(外壁修飾,內(nèi)壁修飾,內(nèi)/外壁修飾,壁內(nèi)修飾)。2.發(fā)展了一種“活性基底輔助還原氧化石墨烯”的方法,將氧化石墨烯(GO)還原并三維組裝到任意基底上,探討了相關(guān)的反應(yīng)機(jī)理,為石墨烯的組裝、應(yīng)用,提供了簡(jiǎn)單、有效的途徑。三、溶劑熱法組裝三維石墨烯及對(duì)石墨烯的功能化研究在三維組裝的同時(shí),將石墨烯按照特定的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位功能化1.開(kāi)發(fā)了“二次活性基底輔助還原”的普適方法合成多種金屬基納米結(jié)構(gòu)功能化的三維石墨烯。首先,在活性基底上實(shí)現(xiàn)對(duì)GO的還原和三維組裝;再以石墨烯納米片為正極,在上面沉積金屬(M)相關(guān)的成分。合成了包括M、金屬氧化物(M2On)、M-M2On、M2On、合金等功能化的石墨烯,并被成功用作燃料電池催化劑、鋰離子電池負(fù)極材料、光電轉(zhuǎn)換材料、磁性吸波材料等。2.設(shè)計(jì)與合成了三維石墨烯負(fù)載低Pt載量的異質(zhì)結(jié)構(gòu)(Pt/PdCu空方塊,Pd2/PtFe網(wǎng),gC3N4-Pt雜化結(jié)構(gòu))系列燃料電池催化劑。異質(zhì)結(jié)構(gòu)元素間的協(xié)同作用,加之三維多孔的導(dǎo)電載體為催化位點(diǎn)接觸燃料分子提供了最大限度的可能,使催化劑表現(xiàn)出了高活性,高抗中毒能力,以及良好的穩(wěn)定性;制備了三維石墨烯負(fù)載PdCu膠囊的無(wú)Pt催化劑。經(jīng)過(guò)特定的活化過(guò)程,該材料表現(xiàn)出了比Pt基商業(yè)催化劑更為優(yōu)越的乙醇催化性能。
【學(xué)位單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：O613.71
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 石墨烯簡(jiǎn)介
        1.1.1 石墨烯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和特殊性質(zhì)
        1.1.2 石墨烯的制備
    1.2 石墨烯的調(diào)控
        1.2.1 石墨烯的微觀調(diào)控
            1.2.1.1 雜原子的調(diào)控
            1.2.1.2 石墨烯尺寸的調(diào)控
            1.2.1.3 缺陷的調(diào)控
        1.2.2 石墨烯的宏觀組裝
            1.2.2.1 一微石墨烯纖維
            1.2.2.2 二維石墨烯膜
            1.2.2.3 三維網(wǎng)狀多孔石墨烯
    1.3 石墨烯的功能化研究
        1.3.1 石墨烯功能化的方法
        1.3.2 石墨烯功能化的應(yīng)用
            1.3.2.1 能源轉(zhuǎn)換方面的應(yīng)用–燃料電池、太陽(yáng)能電池
            1.3.2.2 能源儲(chǔ)存方面的應(yīng)用–鋰離子電池、超級(jí)電容器
    1.4 選題背景和研究?jī)?nèi)容
        1.4.1 選題背景
        1.4.2 研究?jī)?nèi)容
    參考文獻(xiàn)
第二章 石墨烯微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控–N，S共摻雜的“石墨烯-納米膠囊”復(fù)合結(jié)構(gòu)
    2.1 引言
    2.2 實(shí)驗(yàn)部分
        2.2.1 N，S-共摻雜的石墨層包覆Ni顆粒（Ni@GCs）的制備
        2.2.2 多壁石墨納米膠囊（MWGCs）的純化
        2.2.3 N，S共摻雜的石墨化碳膠囊-石墨烯雜化材料（GC-Gs）的制備
        2.2.4 石墨烯納米片（GNPs）的制備
        2.2.5 循環(huán)后TEM測(cè)試的GC-Gs樣品的制備
        2.2.6 測(cè)試儀器
        2.2.7 鋰電池性能測(cè)試
    2.3 GC-G的結(jié)構(gòu)表征，儲(chǔ)鋰性能研究和儲(chǔ)鋰機(jī)制探討
    2.4 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第三章 類石墨烯的微結(jié)構(gòu)調(diào)控–高摻N量類石墨烯膠囊及其與碳納米管的雜化結(jié)構(gòu)
    3.1 引言
    3.2 實(shí)驗(yàn)部分
        3.2.1 原料
        3.2.2 高摻氮量類石墨烯膠囊的合成
        3.2.3 高摻氮量類石墨烯膠囊-碳納米管雜化結(jié)構(gòu)的合成
        3.2.4 測(cè)試儀器
        3.2.5 電化學(xué)性能測(cè)試
    3.3 結(jié)果與討論
        3.3.1 高氮摻雜量的類石墨烯膠囊的結(jié)構(gòu)表征和性能研究
        3.3.2“類石墨烯–碳納米管”雜化多孔碳膠囊的結(jié)構(gòu)表征和性能研究
    3.4 結(jié)論
    參考文獻(xiàn)
第四章 石墨烯宏觀結(jié)構(gòu)調(diào)控–維度限定法制備石墨烯微米管
    4.1 引言
    4.2 實(shí)驗(yàn)部分
        4.2.1 原料
        4.2.2 氧化石墨烯（GO）的制備
        4.2.3 石墨烯微米管的制備
        4.2.4 螺旋狀，多通道的石墨烯微米管的制備
        4.2.5 外壁被Pt或Pd納米顆粒修飾的石墨烯微米管的制備
        4.2.6 內(nèi)壁被Pt或Pd納米顆粒修飾的石墨烯微米管的制備
        4.2.7 內(nèi)/外壁被Pd/Pt納米顆粒不對(duì)稱修飾的石墨烯微米管的制備
2或Fe₃O₄納米顆粒修飾的石墨烯微米管的制備'>        4.2.8 壁內(nèi)被TiO₂或Fe₃O₄納米顆粒修飾的石墨烯微米管的制備
        4.2.9 測(cè)試儀器
        4.2.10電化學(xué)性能測(cè)試
        4.2.11石墨烯微米管的馬達(dá)測(cè)試
    4.3 石墨烯微米管的靶向修飾和性能研究
    4.4 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第五章 石墨烯宏觀結(jié)構(gòu)調(diào)控–氧化石墨烯自發(fā)還原、組裝、及功能化
    5.1 引言
    5.2 實(shí)驗(yàn)部分
        5.2.1 原料
        5.2.2 氧化石墨烯（GO）的制備
        5.2.3 GO在活性金屬箔上的還原與三維組裝
        5.2.4 GO在惰性金屬箔以及半導(dǎo)體Si片表面的還原與三維組裝
        5.2.5 GO在ITO玻璃表面的還原與三維組裝
        5.2.6 GO在石墨烯膜表面的還原與三維組裝
        5.2.7 M、M/M2Om、M2Om、合金等功能化的三維石墨烯的制備
        5.2.8 測(cè)試儀器
        5.2.9 電化學(xué)性能測(cè)試
    5.3 結(jié)果與討論
        5.3.1 活性金屬表面的SARA-GO
        5.3.2 惰性金屬表面的SARA-GO
        5.3.3 非金屬表面的SARA-GO
        5.3.4 SARA-GO過(guò)程用于構(gòu)建無(wú)粘結(jié)劑鋰離子電池
    5.4 SARA-GO過(guò)程機(jī)理探討
    5.5 DSARA-GO過(guò)程機(jī)理探討
    5.6 DSARA法在三維多孔石墨烯上沉積多種金屬結(jié)構(gòu)的研究
        5.6.1 DSARA法在三維多孔石墨烯上沉積金屬納米顆粒
        5.6.2 DSARA法在三維多孔石墨烯上沉積金屬–金屬氧化物雜化結(jié)構(gòu)或氧化物
        5.6.3 DSARA法在三維多孔石墨烯上沉積合金結(jié)構(gòu)
        5.6.4 DSARA法制備的功能化三維石墨烯的應(yīng)用
    5.7 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第六章 石墨烯宏觀結(jié)構(gòu)調(diào)控–溶劑熱三維組裝及功能化
    6.1 引言
    6.2 實(shí)驗(yàn)部分
        6.2.1 原料
        6.2.2 氧化石墨烯（GO）的制備
        6.2.3 三維石墨烯負(fù)載Pt/PdCu納米立方空殼、Pt顆粒催化劑的制備
        6.2.4 XC-72負(fù)載Pt/PdCu空殼納米立方催化劑的制備
        6.2.5 三維石墨烯負(fù)載Pd2/PtFe納米線催化劑的制備
        6.2.6 三維石墨烯負(fù)載Pd、Pt、Pd2PtFe催化劑的制備
        6.2.7 XC-72負(fù)載PtFe合金催化劑的制備
        6.2.8 三維石墨烯負(fù)載gC3N4-Pt異質(zhì)結(jié)構(gòu)、Pt顆粒催化劑的制備
        6.2.9 Pt/3GN+gC3N4催化劑的合成
        6.2.10三維石墨烯負(fù)載PdCu納米膠囊，Pd、Cu納米顆粒的制備
        6.2.11測(cè)試儀器
        6.2.12電化學(xué)性能測(cè)試
    6.3 結(jié)果與討論
        6.3.1 三維石墨烯負(fù)載低Pt載量催化劑的結(jié)構(gòu)表征和性能研究
            6.3.1.1 三維石墨烯負(fù)載Pt/PdCu納米立方空殼催化劑
            6.3.1.2 三維石墨烯負(fù)載低Pt載量Pd2/PtFe網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)催化劑
        6.3.2 三維石墨烯上負(fù)載gC3N4-Pt雜化結(jié)構(gòu)催化劑的制備和性能研究
        6.3.3 三維石墨烯負(fù)載無(wú)Pt（PdCu膠囊）催化劑的結(jié)構(gòu)表征和性能研究
    6.4 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
結(jié)論與展望
附錄
攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單
致謝
作者簡(jiǎn)介


本文編號(hào)：2870898