石墨烯基材料的微、宏觀結構調控及其在能源相關器件中的應用
發(fā)布時間：2020-11-05 01:19
石墨烯片層具有特殊的物理、化學性質,但這并不意味著由石墨烯組裝而成的器件就會展現(xiàn)出高的性能。根據(jù)應用的需求,我們以石墨烯片層為構筑單元,對其進行微觀、宏觀結構調控及功能化,為尋求高效的能量儲存和轉換材料提供了理論基礎和實驗依據(jù)。主要研究內容如下:一、石墨烯基材料的微觀調控石墨烯的微觀調控,也叫本征調控,通過改變基元碳的化學環(huán)境,使其性質發(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”結構。N,S元素的摻雜,小尺寸石墨烯片中大量的邊緣結構,膠囊壁上豐富的缺陷,以及碳膠囊本身保持的高導電性,使該材料成為具有高容量,長壽命和優(yōu)越倍率性能的儲鋰負極材料。2.開發(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催化劑和鋰離子電池負極材料。另外,制備膠囊過程中,在類石墨烯片層上原位生長了竹節(jié)狀碳納米管須,得到了碳管包覆石墨烯膠囊的海膽狀結構,結構中產(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,導電性有所提高。這些特點為材料作為高效氧還原反應催化劑和鋰離子電池負極材料提供了豐富的活性位點、快速的電子傳輸和物質交換路徑,使組成器件性能上有很大的突破。二、石墨烯宏觀結構組裝的研究一維的纖維狀石墨烯質量輕,可編織,易功能化;多孔、網(wǎng)絡狀的三維石墨烯具有導電性好、比表面積大、可壓縮等特點。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、高導電性、好的柔韌性等特點的微米管可以被塑形成分級、多通道結構;同時我們還對所得微米管成功進行了靶向功能化修飾(外壁修飾,內壁修飾,內/外壁修飾,壁內修飾)。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,探討了相關的反應機理,為石墨烯的組裝、應用,提供了簡單、有效的途徑。三、溶劑熱法組裝三維石墨烯及對石墨烯的功能化研究在三維組裝的同時,將石墨烯按照特定的組成和結構進行原位功能化1.開發(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構功能化的三維石墨烯。首先,在活性基底上實現(xiàn)對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、鋰離子電池負極材料、光電轉換材料、磁性吸波材料等。2.設計與合成了三維石墨烯負載低Pt載量的異質結構(Pt/PdCu空方塊,Pd2/PtFe網(wǎng),gC3N4-Pt雜化結構)系列燃料電池催化劑。異質結構元素間的協(xié)同作用,加之三維多孔的導電載體為催化位點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載PdCu膠囊的無Pt催化劑。經(jīng)過特定的活化過程,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。
【學位單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：O613.71
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
1.1 石墨烯簡介
1.1.1 石墨烯的結構特點和特殊性質
1.1.2 石墨烯的制備
1.2 石墨烯的調控
1.2.1 石墨烯的微觀調控
1.2.1.1 雜原子的調控
1.2.1.2 石墨烯尺寸的調控
1.2.1.3 缺陷的調控
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 石墨烯功能化的應用
1.3.2.1 能源轉換方面的應用–燃料電池、太陽能電池
1.3.2.2 能源儲存方面的應用–鋰離子電池、超級電容器
1.4 選題背景和研究內容
1.4.1 選題背景
1.4.2 研究內容
參考文獻
第二章 石墨烯微觀結構調控–N，S共摻雜的“石墨烯-納米膠囊”復合結構
2.1 引言
2.2 實驗部分
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測試的GC-Gs樣品的制備
2.2.6 測試儀器
2.2.7 鋰電池性能測試
2.3 GC-G的結構表征，儲鋰性能研究和儲鋰機制探討
2.4 本章小結
參考文獻
第三章 類石墨烯的微結構調控–高摻N量類石墨烯膠囊及其與碳納米管的雜化結構
3.1 引言
3.2 實驗部分
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-碳納米管雜化結構的合成
3.2.4 測試儀器
3.2.5 電化學性能測試
3.3 結果與討論
3.3.1 高氮摻雜量的類石墨烯膠囊的結構表征和性能研究
3.3.2“類石墨烯–碳納米管”雜化多孔碳膠囊的結構表征和性能研究
3.4 結論
參考文獻
第四章 石墨烯宏觀結構調控–維度限定法制備石墨烯微米管
4.1 引言
4.2 實驗部分
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/外壁被Pd/Pt納米顆粒不對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 壁內被TiO2或Fe3O4納米顆粒修飾的石墨烯微米管的制備
4.2.9 測試儀器
4.2.10電化學性能測試
4.2.11石墨烯微米管的馬達測試
4.3 石墨烯微米管的靶向修飾和性能研究
4.4 本章小結
參考文獻
第五章 石墨烯宏觀結構調控–氧化石墨烯自發(fā)還原、組裝、及功能化
5.1 引言
5.2 實驗部分
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 測試儀器
5.2.9 電化學性能測試
5.3 結果與討論
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過程用于構建無粘結劑鋰離子電池
5.4 SARA-GO過程機理探討
5.5 DSARA-GO過程機理探討
5.6 DSARA法在三維多孔石墨烯上沉積多種金屬結構的研究
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–金屬氧化物雜化結構或氧化物
5.6.3 DSARA法在三維多孔石墨烯上沉積合金結構
5.6.4 DSARA法制備的功能化三維石墨烯的應用
5.7 本章小結
參考文獻
第六章 石墨烯宏觀結構調控–溶劑熱三維組裝及功能化
6.1 引言
6.2 實驗部分
6.2.1 原料
6.2.2 氧化石墨烯（GO）的制備
6.2.3 三維石墨烯負載Pt/PdCu納米立方空殼、Pt顆粒催化劑的制備
6.2.4 XC-72負載Pt/PdCu空殼納米立方催化劑的制備
6.2.5 三維石墨烯負載Pd2/PtFe納米線催化劑的制備
6.2.6 三維石墨烯負載Pd、Pt、Pd2PtFe催化劑的制備
6.2.7 XC-72負載PtFe合金催化劑的制備
6.2.8 三維石墨烯負載gC3N4-Pt異質結構、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載PdCu納米膠囊，Pd、Cu納米顆粒的制備
6.2.11測試儀器
6.2.12電化學性能測試
6.3 結果與討論
6.3.1 三維石墨烯負載低Pt載量催化劑的結構表征和性能研究
6.3.1.1 三維石墨烯負載Pt/PdCu納米立方空殼催化劑
6.3.1.2 三維石墨烯負載低Pt載量Pd2/PtFe網(wǎng)狀結構催化劑
6.3.2 三維石墨烯上負載gC3N4-Pt雜化結構催化劑的制備和性能研究
6.3.3 三維石墨烯負載無Pt（PdCu膠囊）催化劑的結構表征和性能研究
6.4 本章小結
參考文獻
結論與展望
附錄
攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單
致謝
作者簡介
本文編號：2870898
【學位單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：O613.71
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
1.1 石墨烯簡介
1.1.1 石墨烯的結構特點和特殊性質
1.1.2 石墨烯的制備
1.2 石墨烯的調控
1.2.1 石墨烯的微觀調控
1.2.1.1 雜原子的調控
1.2.1.2 石墨烯尺寸的調控
1.2.1.3 缺陷的調控
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 石墨烯功能化的應用
1.3.2.1 能源轉換方面的應用–燃料電池、太陽能電池
1.3.2.2 能源儲存方面的應用–鋰離子電池、超級電容器
1.4 選題背景和研究內容
1.4.1 選題背景
1.4.2 研究內容
參考文獻
第二章 石墨烯微觀結構調控–N，S共摻雜的“石墨烯-納米膠囊”復合結構
2.1 引言
2.2 實驗部分
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測試的GC-Gs樣品的制備
2.2.6 測試儀器
2.2.7 鋰電池性能測試
2.3 GC-G的結構表征，儲鋰性能研究和儲鋰機制探討
2.4 本章小結
參考文獻
第三章 類石墨烯的微結構調控–高摻N量類石墨烯膠囊及其與碳納米管的雜化結構
3.1 引言
3.2 實驗部分
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-碳納米管雜化結構的合成
3.2.4 測試儀器
3.2.5 電化學性能測試
3.3 結果與討論
3.3.1 高氮摻雜量的類石墨烯膠囊的結構表征和性能研究
3.3.2“類石墨烯–碳納米管”雜化多孔碳膠囊的結構表征和性能研究
3.4 結論
參考文獻
第四章 石墨烯宏觀結構調控–維度限定法制備石墨烯微米管
4.1 引言
4.2 實驗部分
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/外壁被Pd/Pt納米顆粒不對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 壁內被TiO2或Fe3O4納米顆粒修飾的石墨烯微米管的制備
4.2.9 測試儀器
4.2.10電化學性能測試
4.2.11石墨烯微米管的馬達測試
4.3 石墨烯微米管的靶向修飾和性能研究
4.4 本章小結
參考文獻
第五章 石墨烯宏觀結構調控–氧化石墨烯自發(fā)還原、組裝、及功能化
5.1 引言
5.2 實驗部分
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 測試儀器
5.2.9 電化學性能測試
5.3 結果與討論
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過程用于構建無粘結劑鋰離子電池
5.4 SARA-GO過程機理探討
5.5 DSARA-GO過程機理探討
5.6 DSARA法在三維多孔石墨烯上沉積多種金屬結構的研究
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–金屬氧化物雜化結構或氧化物
5.6.3 DSARA法在三維多孔石墨烯上沉積合金結構
5.6.4 DSARA法制備的功能化三維石墨烯的應用
5.7 本章小結
參考文獻
第六章 石墨烯宏觀結構調控–溶劑熱三維組裝及功能化
6.1 引言
6.2 實驗部分
6.2.1 原料
6.2.2 氧化石墨烯（GO）的制備
6.2.3 三維石墨烯負載Pt/PdCu納米立方空殼、Pt顆粒催化劑的制備
6.2.4 XC-72負載Pt/PdCu空殼納米立方催化劑的制備
6.2.5 三維石墨烯負載Pd2/PtFe納米線催化劑的制備
6.2.6 三維石墨烯負載Pd、Pt、Pd2PtFe催化劑的制備
6.2.7 XC-72負載PtFe合金催化劑的制備
6.2.8 三維石墨烯負載gC3N4-Pt異質結構、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載PdCu納米膠囊，Pd、Cu納米顆粒的制備
6.2.11測試儀器
6.2.12電化學性能測試
6.3 結果與討論
6.3.1 三維石墨烯負載低Pt載量催化劑的結構表征和性能研究
6.3.1.1 三維石墨烯負載Pt/PdCu納米立方空殼催化劑
6.3.1.2 三維石墨烯負載低Pt載量Pd2/PtFe網(wǎng)狀結構催化劑
6.3.2 三維石墨烯上負載gC3N4-Pt雜化結構催化劑的制備和性能研究
6.3.3 三維石墨烯負載無Pt（PdCu膠囊）催化劑的結構表征和性能研究
6.4 本章小結
參考文獻
結論與展望
附錄
攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單
致謝
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本文編號：2870898
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