基于芯能级X射线谱学的碳纳米材料的电子结构研究

摘要

纳米材料由于具有独特的结构和优异的物理化学性质，在催化、微电子器件、能源转化与储存以及灵敏传感器等领域有着广泛的潜在应用。而碳基材料及其复合材料的研究因其特有的性质和广泛的应用更是近来人们关注的焦点。而在碳纳米材料走向实际应用的过程中，对其进行相应的电子结构的理解和调制是非常关键的一步。因此，对碳材料以及复合材料电子结构的研究具有非常重要的基础研究和实际应用意义。
　　本论文利用内壳层能级谱学，包括X射线吸收谱和X射线发射谱对可被用于能量储存或转化的碳纳米笼、石墨烯基复合材料进行了系统的研究，展示了X射线吸收谱和X射线发射谱在碳纳米材料结构表征和机理研究中的特殊功能。本论文内容包括：
　　(1)通过X射线吸收谱和发射谱对碳纳米笼和氮掺杂或磷掺杂的碳纳米笼进行了系统的研究。吸收谱表明这种碳纳米结构的外壁具有与石墨相类似的结构，结合发射谱，我们获知：N掺杂使得这种石墨结构变的比较无序，而P掺杂反而更易获得更好有序的石墨型碳纳米笼，另外，这种碳纳米笼具有半金属性质。
　　(2)利用X射线吸收谱对不同温度条件生长的氮掺杂碳纳米笼进行了系统表征。结果表明碳纳米笼中主要存在三种N掺杂结构:吡啶型、吡咯型和石墨型。N掺杂类型具有与温度明显的对应关系，高温下，吡啶型N或吡咯型N会向石墨型N转化。同时结合这些氮掺杂碳纳米笼的ORR催化性质，我们可以找到N掺杂类型对催化活性的影响。
　　(3)利用 X射线吸收谱技术研究了不同比例的原料合成的 MnOx@GO复合材料。吸收谱结果清楚地给出了不同比例复合材料中Mn的价态和化学键信息以及电子结构信息。MnOx@GO中Mn的价态随着C：Mn比改变，当石墨比例较大时，有低价态的Mn的氧化物存在，而当KMnO4较多是，基本都是以MnO2形式存在。O的吸收谱也揭示了GO中氧基团能够调控MnOx的导带结构。
　　(4)同时我们得到了锂电池阳极材料RGO-Fe3O4的X射线吸收谱和X射线发射谱，RGO在电极循环中的作用。对比研究了不同循环次数的电极材料，我们得知锂电池容量降低的原因可能是RGO在一定的循环次数后与Fe3O4的相互作用减弱。

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第一章 碳纳米材料概述

1.1 从碳纳米管到碳纳米笼

1.2 石墨烯

1.3 本论文的研究内容和意义

第二章 纳米研究中的芯能级X射线谱学

2.1 基本介绍

2.2 纳米材料的电子结构

2.3 软X射线过程和谱学

2.4. X射线光谱学的化学敏感性

第三章 碳纳米笼（CNCs）和掺杂碳纳米笼（N-CNCs和P-CNCs）的电子结构研究

3.1 材料合成部分

3.2 表征手段

3.3 实验结果和讨论

3.4 小结

第四章 不同温度下合成的氮掺杂碳纳米笼的N原子化学位置研究

4.1 材料合成

4.2 表征手段

4.3 实验结果与讨论

4.4 小结

第五章 MnOx-氧化石墨复合材料电子结构研究

5.1 实验

5.2 实验结果与讨论

5.3 结论

第六章 锂电池中的Fe3O4 NPs@石墨烯复合材料的电子结构研究

6.1 序言

6.2 实验方法

6.3 结果和讨论

6.4 结论

结 论

参考文献

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢