论文部分内容阅读
石墨烯是一种由单层碳原子紧密排列成二维蜂窝状结构的碳材料。石墨烯展现出很多优异的物理化学性能,从发现开始就受到各个领域的广泛关注。然而,石墨烯仍然存在一些不足。例如,石墨烯片层易发生团聚,采用化学剥离法制备的石墨烯缺陷多。此外,石墨烯是一种能带隙为零的半导体,一定程度上限制了石墨烯应用于电学器件。研究表明,通过化学掺杂可以有效调节石墨烯的电子结构,改善其物理化学性质。基于以上问题,本论文采用石墨以及氟化石墨为原料,通过不同方法制备石墨烯及掺杂石墨烯,考察所得石墨烯及掺杂石墨烯的形貌、结构、电导率及电化学性能。主要研究内容包括以下几个方面:(1)以石墨为原料,通过三种不同的氧化方法制备氧化石墨烯(Graphene O xide,GO),以水合肼为还原剂将GO还原为石墨烯,考察GO氧化程度对石墨烯在有机溶剂中分散性能及电化学性能的影响。结果表明,调控氧化剂的用量和种类,可以改变GO的氧化程度;以氧化程度最高的GO还原所得的石墨烯,在有机溶剂中的分散性能最好,电化学性能最佳。(2)化学剥离法是以石墨为原料,通过氧化和还原过程制备石墨烯,由于存在过度氧化以及不彻底还原,所得石墨烯存在较多的结构缺陷,进而影响石墨烯的性能。因此,选用氟化石墨为原料,通过超声法,静置法以及加热回流法三种方法制备石墨烯,对所得石墨烯进行形貌、结构表征及电化学性能测试。结果表明,三种方法均可制备出单晶结构的石墨烯,其中加热回流法制备的石墨烯晶体有序度最高,电化学性能最佳。(3)以氟化石墨为原料,尿素为氮源,通过高温固相反应制备氮掺杂石墨烯(N-Gr),探讨了反应温度对N-Gr的结构及电化学性能的影响。结果表明,氮元素以吡咯氮、吡啶氮和石墨化氮三种形式掺入石墨烯晶格结构中。500℃下制备的N-Gr具有最佳的电化学性能,此外,其电导率可达9475 S/m,远远大于以GO为原料在相同条件下制备的氮掺杂石墨烯(N-RGO)的电导率(200 S/m)。(4)以氟化石墨为原料,Na HSO3、Na2S2O3·5H2O、Na2SO3以及N a2S·9H2O为硫源,采用高温固相反应制备硫掺杂石墨烯(S-Gr),探讨不同硫源对S-Gr的结构及电化学性能影响。结果表明,硫元素以C-S-C、C-SOx-C两种结构掺杂进入石墨烯晶格结构中。其中以Na2S·9H2O作为掺杂剂制备的硫掺杂石墨烯的硫含量最高(3.35%),电导率最高(21720 S/m),电化学性能最佳。