氮掺杂石墨烯和碳化钼/石墨烯复合纳米材料的电催化性能研究

摘要

自从2004年，Geim等人通过机械剥离石墨的方法成功制备了石墨烯，这种典型的二维纳米材料就因为其具有独特的性能迅速成为材料科学最热门的领域之一。石墨烯，sp2杂化碳原子构成的六元环蜂窝状网络结构材料，不仅具有化学稳定性而且也具有卓越的电学、光学、热学和力学性质，包括强杨氏模量、高断裂强度、高热导率、快电荷载流子迁移率、大比表面积和高光透过率，被广泛应用于各种领域，例如生物医学、增强复合材料、传感器、催化剂、能量转换和储存装置。
　　为了探寻石墨烯新的性质和应用，研究者将研究方向转移到设计和构造石墨烯基功能材料上，使其性质不同于甚至超越石墨烯。石墨烯基材料包括掺杂石墨烯和石墨烯纳米复合材料。掺杂石墨烯的性质与石墨烯片层的结构和成分紧密相连，原位生长法和后处理方法通常用来制备杂原子掺杂石墨烯。石墨烯纳米复合材料可以通过多种途径将一种或多种纳米颗粒担载在石墨烯纳米片上，包括非共价键相互作用和共价键反应法，无电子化学沉积法，水热和溶剂热生长法，电化学和电泳沉积法，光化学反应法和物理沉积法及混合法等。在本论文中，我们设计并合成了具有介孔结构的氮掺杂石墨烯及碳化钼/石墨烯复合材料，并研究其电催化性能。取得的主要结果如下:
　　1.通过无模板法热处理预先制备的多巴胺/氧化石墨烯复合材料，合成了介孔结构的氮掺杂石墨烯，且可实现规模化生产。由于预先合成的多巴胺包覆在氧化石墨烯表面作为空间阻隔，避免了热处理过程中石墨烯重新团聚，使氮掺杂石墨烯具有较大比表面积和介孔结构。研究了该材料在碱性环境下的氧气还原电催化性能。实验结果表明，我们制备的氮掺杂石墨烯经历四电子还原过程，电催化性能明显高于相同条件下合成的还原氧化石墨烯和多巴胺与石墨烯混合制备的氮掺杂石墨烯。同时，我们还研究了不同浓度多巴胺对催化性能的影响，表明合适的氮掺杂量对催化性能有重要的影响。
　　2.以钼酸铵和氧化石墨烯为前驱物，先后通过水热和热处理合成了碳化钼/石墨烯复合材料。石墨烯既作为基底材料，同时又作为合成复合材料的碳源。在热处理过程中，钼酸铵转化成碳化钼，生成的碳化钼纳米颗粒起到空间阻隔作用有效地避免了石墨烯纳米片的重新团聚。该复合材料具有明显的电催化性能。