多孔石墨烯燃烧法制备和正压氢气氛处理衬底对石墨烯生长影响

摘要

石墨烯是一种典型的二维晶体，它具有优越的力学、热学、电学、光学性能，将来可能被广泛应用于高性能复合材料、仿生材料、生物医药、汽车能源等领域。目前，各种形态的石墨烯都是产业界和学术界的研究热点，包括石墨烯气凝胶、纳米孔洞石墨烯薄片和大面积单层石墨烯等。高质量石墨烯材料的制备，是其应用的前提，也是本文主要讨论的内容。 本文主要包括两方面的工作:第一，纳米孔洞石墨烯薄片的燃烧法制备，及其在超级电容器中的应用;第二，通过对铜箔进行正压（高于大气压）退火提高国产商业铜箔上生长的大面积单层石墨烯的质量，并通过制备石墨烯-硅太阳能电池对石墨烯的品质进行了验证。第一章是绪论，主要介绍了石墨烯的基本概念以及各种形态的石墨烯的制备方法、研究现状和应用前景，并阐明了本文的研究动机。第二章讲述了纳米孔洞石墨烯薄片的制备方法，及其在超级电容器中的应用。第三章研究了正压退火对铜箔的结晶取向的优化作用，进而提高国产商业铜箔上生长的石墨烯的质量，降低了石墨烯批量生产的成本。第四章是对本文工作的总结和展望。第二至第三章的具体内容如下: 第二章:纳米多孔石墨烯具有低电阻率、高比表面积以及高孔隙率等特点，是一种性能优异的超级电容器电极材料。本章重点介绍多孔石墨烯的制备方法，将氧化石墨烯气凝胶跟特定温度(200～300℃)的加热台接触，氧化石墨烯气凝胶会在极短时间内发生剧烈燃烧反应，生成含有大量纳米孔洞的石墨烯薄片。得到的石墨烯材料的比表面积最高可达536 m2·g-1，且石墨烯层数小于5，石墨烯上的孔洞尺寸分布范围是0.4～2 nm。将制备的3D石墨烯气凝胶用作超级电容器的电极，测得其比电容高达245 F·g-1。电极具有良好的循环稳定性（经过12000次充放电循环测试，比电容保持率高达96.9％）。 第三章:实验室化学气相沉积(CVD)制备大面积单层石墨烯一般都是以阿尔法公司的高纯铜箔为衬底。相同条件下，以国产商用铜箔作为衬底很难制备高质量的大面积单层石墨烯。衬底退火是制备大面积高质量石墨烯的常用途径，我们发现在进行石墨烯生长之前，对铜箔进行正压退火可以显著拓宽大面积单层石墨烯的生长窗口。退火压强和时间对石墨烯的生长影响比较大，我们对此进行了详细研究。实验制备的大面积石墨烯单层率达到95％以上，面电阻约500Ω/□，载流子迁移率为2000-3000 cm2·V-1·s-1，光透过率达到97.24％。以此制作的石墨烯-硅太阳能电池的光电转换效率为4.99％-5.62％。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2石墨烯的基本结构

1．3石墨烯的性质

1．3．1石墨烯的电学性质

1．3．2石墨烯的光学性质

1．3．3石墨烯的热学性质

1．3．4石墨烯的化学性质

1．3．5石墨烯的电子自旋性质

1．3．6石墨烯的力学性质

1．3．7石墨烯的透气性

1．4石墨烯的表征分析方法

1．5石墨烯的外在形态分类

1．5．1单晶石墨烯

1．5．2大面积石墨烯薄膜

1．5．3石墨烯粉体／纳米片

1．5．4纳米多孔石墨烯薄膜

1．5．5三维石墨烯(气凝胶、织网结构)

1．6石墨烯的应用

1．6．1医学领域

1．6．2电子学领域

1．6．3能源领域

1．6．4传感器领域

1．6．5环境保护领域

1．7本论文的选题背景与研究主题

1．7．1选题背景

1．7．2研究内容

第二章燃烧法制备纳米多孔石墨烯

2．1引言

2．2实验部分

2．2．1实验材料

2．2．2实验设备及制备方法

2．3实验结果和讨论

2．3．1 GO和P-RGO的表征

2．3．2燃烧法制备多孔石墨烯实验机理的研究

2．3．3以P-RGO为基础的超级电容器电极的电化学表征

2．4燃烧法制备纳米多孔石墨烯的推广

2．5本章小结

第三章正压氢气氛下退火铜箔衬底对石墨烯生长影响

3．1引言

3．2．实验部分

3．2．1实验材料

3．2．2铜箔材料的制备处理

3．2．3实验装置及制备方法

3．2．4石墨烯样品的转移

3．2．5石墨烯／Si太阳能电池的制造

3．2．6实验表征方法

3．3结果与讨论

3．4实验机理的解释

3．5单晶石墨烯的制备

3．6本章小结

第四章总结与展望

4．1总结

4．2展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

参考文献