开发高效、绿色、安全的能源存储与转换装置是能源和材料领域经久不衰的课题,超级电容器和直接甲醇燃料电池分别作为性能优异的能量存储和转换装置而受到研究者的广泛关注,发展简单高效的电极和催化剂材料成为研究的关键。研究表明,杂原子掺杂石墨烯是一种有效的电极材料,同时也是催化剂载体的绝佳选择。水热法、电化学法、高温煅烧法等多种方法被用于制备掺杂石墨烯,然而,这些方法大多需要多步化学反应、高温条件、有毒的掺杂试剂,不利于材料性能和环境保护。关于低温等离子体技术制备掺杂石墨烯的方法近年来有少量报道,该法绿色、高效、节能,但对于其具体制备机理和制备过程优化的研究不够系统,有很大的探究价值。本论文基于低温等离子体技术的特色发展了新的杂原子掺杂石墨烯制备策略,并探究等离子体与材料之间可能的作用机制和该法存在的优势,进一步分析相应材料在超级电容性能和催化甲醇氧化反应性能上的优异性。具体内容如下:(1)以氧化石墨烯和硫脲为前驱体,分别用氢氩混合气电感耦合等离子体放电和水热法制备了氮,硫共掺杂石墨烯。利用光学发射光谱分析等离子体处理过程中可能的反应机制,讨论最佳的放电参数。对制得的两种材料在形貌结构、组成、三电极和两电极体系的电化学性能几个方面进行比较,结果表明:等离子体处理可以有效的还原氧化石墨烯,实现较水热法更高含量的掺杂,获得更大的比表面积。作为电极材料,等离子体辅助制得的材料在三电极体系和两电极超级电容器器件中均展现出较水热法制得的材料更优异的比电容值、倍率性能和循环稳定性能。(2)基于电感耦合等离子体源的H2和N2混合低温等离子体放电制备氮掺杂石墨烯负载Pt和Ni纳米复合材料。与单一 H2等离子体放电相比,H2和N2混合等离子体放电更具优势。首先,其在还原氧化石墨烯和金属离子的同时,可以将氮有效地掺杂到石墨烯骨架中,从而产生更多的缺陷,并提供更多的活性位点,以促进催化剂颗粒的均匀分散。其次,增强的物理轰击作用显著减小了催化剂的粒径。此外,与传统的湿化学方法相比,这种气相合成策略简单,节能且环保。与单一H2处理的未掺氮样品和商用Pt/C催化剂相比,氮掺杂样品展现出对甲醇氧化反应更好的催化活性、稳定性和抗中毒能力。因此,这种新颖的低温等离子体辅助技术为合成具有所需性能的催化剂提供了一条新途径。