氮掺杂石墨烯基纳米复合材料的合成及其催化性能研究

摘要

石墨烯是由sp2杂化碳原子相互连接构成的只有一个原子厚度的二维平面材料，其碳原子构成六角环形蜂窝状。自从2004年Novoselov等人首次通过“透明胶带”法合成了石墨烯，石墨烯成为最活跃的研究领域之一。石墨烯具有比表面积高、导电性好、机械强度高等优点，被广泛开发应用于分子电子装置、催化、能量转移和存储等方面。研究者还通过各种物理、化学方法调节石墨烯的电子性质、开发石墨烯的带隙、提高石墨烯的性能。其中氮掺杂是调整石墨烯电子结构，合成具有预期物理化学性质的新型石墨烯基纳米复合材料的一种重要途径。
　　目前氮掺杂石墨烯的合成方法主要包括化学气相沉积法、水热/溶剂热还原法、热处理法、弧放电法等。可通过X射线光电子能谱、拉曼光谱、扫描隧道显微镜、选择区域电子衍射、原子力显微镜等技术对氮掺杂石墨烯进行成分、晶体结构、层数的表征。氮掺杂石墨烯以及氮掺杂石墨烯基纳米复合材料在燃料电池、锂离子电池、超级电容器、光催化、生物传感等多个领域都表现出很好的应用前景。我们设计合成了氮掺杂石墨烯基纳米复合材料，并研究了其催化性能:
　　1.以一步水热法制备了四氧化三钴/氮掺杂石墨烯/氮掺杂多壁碳纳米管纳米复合材料，并研究了该复合材料在碱性环境中的氧气还原反应电催化性能。研究结果表明，四氧化三钴/氮掺杂石墨烯/氮掺杂多壁碳纳米管经历4e-氧还原过程，且电催化性能优于相同反应条件下合成的四氧化三钴/氮掺杂石墨烯、四氧化三钴/氮掺杂多壁碳纳米管。此外，我们还讨论了四氧化三钴/氮掺杂石墨烯/氮掺杂多壁碳纳米管纳米复合材料中四氧化三钴和氮掺杂多壁碳纳米管的含量对其电催化性能的影响。结果表明，高导电性、碳材料上负载合适数量的催化剂对复合材料的催化性能有着重要影响。
　　2.以有机-无机杂化材料ZnS·(NH2CH2CH2NH2)0.5纳米片和氧化石墨烯为前驱物，一步水热法合成了硫化锌/氮掺杂石墨烯纳米复合材料。ZnS·(NH2CH2CH2NH2)0.5纳米片作为硫化锌纳米颗粒的前驱物以及氮掺杂石墨烯的氮源。该复合材料表现出明显的光催化降解有机染料的性能。此合成方法可拓展到其它无机物/氮掺杂石墨烯纳米复合材料的制备中。

目录

声明

摘要

第一章 氮掺杂石墨烯的合成及应用

1．1 引言

1．2 氮掺杂石墨烯的合成方法

1．2．1 化学气相沉积法

1．2．2 水热／溶剂热还原法

1．2．3 热处理法

1．2．4 弧放电法

1．2．5 等离子体处理法

1．3 氮掺杂石墨烯的表征技术

1．3．1 X射线光电子能谱(XPS)技术

1．3．2 拉曼光谱

1．3．3 其他表征技术

1．4 氮掺杂石墨烯的应用

1．4．1 燃料电池

1．4．2 锂离子电池

1．4．3 超级电容器

1．4．4 光催化

1．4．5 电化学传感

1．5 本论文的选题背景和研究内容

参考文献

第二章 四氧化三钴／氮掺杂石墨烯／氮掺杂碳纳米管的合成及其电催化性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验材料

2．2．2 实验方法

2．2．3 电催化性能的测试

2．2．4 样品表征

2．3 结果与讨论

2．4 结论

参考文献

第三章 硫化锌／氮掺杂石墨烯纳米复合材料的合成及其光催化性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验方法

3．2．3 光催化性能的测试

3．2．4 样品表征

3．3 结果与讨论

3．4 结论

参考文献

致谢

硕士期间发表论文