石墨烯基材料之构筑及催化制氢特性概述

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1、石墨烯基材料之构筑及催化制氢特性概述----环境设计论文-->第一章绪论1.1引言碳是自然界分布极为广泛的一种元素，存在众多同素异形体，包括零维富勒稀[1]、一维碳纳米管[2]、二维石墨稀[3]以及三维石墨[4]。石墨烯是一种111碳原子按sp2碳晶格紧密排列形成类似于蜂窝状结构的层状材料，它与碳纳米管及富勒碎的化学结构极其类似，均可视为山碳的单原子层经过一定的卷曲变形构成。如图1-1所示，单层碳原子网络团成球形便成为富勒稀，卷成宵状便成为碳纳米管，舒展成片状便成为石墨稀。石墨炼在室温下的电子迁移率约为20000cm-

2、V-'-s'[5],电子运动速度达到光速的1/300,也就是说远远超过了电子在一般导体中的运动速度。许多研究期待通过与石墨稀复合达到提高原材料电学性能的。此外，它还具有良好的热传导性能，优异的机械性能，高的化学稳定性，大的表面积-体积比，这使得它在纳米电子、传感器、电池、超级电容器和制氧储氧等许多科技领域具有巨大的应用前景。………………1.2石墨烯的制备微机械分离法是采用机械分离的手段获得石墨稀的方法，即直接将石墨稀薄片从较大的晶体上剪裁下来。2004年，曼彻斯特大学Geim等[3]即采用机械法(如图1-2)从高定向热

3、解石墨（HOPG)上剥离出单层石墨稀。他们在HOPG表面用氧等离子刻烛微槽，并用光刻胶将其转移到玻璃衬底上，用透明胶带反复撕揭，然后将玻璃衬底放入丙酮溶液中超声清洗，并在溶液中放入单晶桂片，单层石墨烯会在范德华力作用下吸附到鞋片表面。后来机械法简化为直接用胶带从HOPG揭下一层石墨，然后在胶带之间反复粘贴，石墨片层会越来越薄（其中包含单层石墨稀），再将胶带贴在衬底上，单层石墨炼就被转移到衬底上了。虽然机械剥离是一种简单的制备石墨稀的方法，但是它不适合石墨稀的规模化生产。化学气相沉积（CVD)是指反应物质在相当高的温度、

4、气态条件下发生化学反应，生成的固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料。CVD是工业上应用最广泛的一种大规模制备半导体薄膜材料的方法，也是目前制备石墨稀的一条有效途径。Yan等[10]通过CVD(如图1-4)在Cu箱衬底上得到了晶圆级的石墨稀薄膜（如图1-5)。通过此法制备的石墨炼电导率高、透明性好、电子迁移率高（~3700cm2_V_i_s_i),具有室温半整数量子Hall效应，而且经图案化后的石墨稀薄膜可转移到+同的柔性衬底。CVD法为制备人而积的电子器件（如电极、显示器等）提供了有利的条件，为石墨稀的商

5、业化应用提供了一条有效的途径。但现阶段CVD法成本较高，丁艺复杂，难以精确控制加工条件，制约了石墨稀制备的发展，因此该法仍有待进一步研究。………………第二章钴/石墨稀复合材料的制备及催化制氢性能2.1引言近年来，a能源逐渐成为能源科学界的宠儿。它是一种公认的环境友好型可再生清洁能源。它燃烧时热沮高、燃点高、导热好，可直接用作发动机燃料、工业燃料、燃料电池燃料等[47，48]。如上章介绍，制备氧气的方法有很多，如电解水、甲醇蒸汽重整、水合胼水解、硼氛化钠水解等[49-52]。其屮硼氧化钠水解制氧近年来引起科学界的广泛关注

6、。因为它具冇诸多优点，如：储氢能力大，常温下稳定存在，容易储运，产生氧气纯度高，制氧速度容易控制，安全无污染等。研究发现，在硼氧化钠水解过程中加入催化剂可以极大的提高产氧速率。常见的催化剂有很多，如过渡金属及其盐类，贵金属单质及其盐类，过渡金属氧化物、硼化物，合金催化剂等，其中贵金属如铀、金、铭、钉等的催化性能尤为突出，但是它们的价格昂贵，难以大规模应用[53-56]。过渡金属单质如钴具有铁磁性，沾于回收重复利用，也常被)、V:用于硼氢化钠制氧，但它的催化效率较低，难以满足人们的需求，新型催化剂的幵发亟待解决。近年来研

7、究者发现，石墨炼基复合材料可以显著提高原材料的电导率、导热性、机械强度等性能。Hu等[57]报道了用电键法制得Au/石墨稀复合材料，其催化活性明显高于单一使用Au或者石墨稀时的活性。Kim等[58]报道了通过联氨还原確酸银、氧化石墨、PVP和APTMS混合溶液来制备银掺杂石墨稀/聚批略(Ag-GRs/PPy)复合材料，测试结果表明Ag纳米颗粒显著提高了GRs/PPy复合材料的电化学性能。Liu等[59]报道了通过电化学还原法制备Pt/可膨胀石墨稀纳米片，直径约为15nm的Pt颗粒均匀分散在石墨稀层中，提高了石墨稀纳米片

8、的催化性能，且稳定性良好。………………2.2实验部分采用改进的Hummers法制备氧化石墨[60]。在冰浴中，将一定量石墨粉与一定体积的浓硫酸均匀并纟合，搅拌过程中缓慢加入高猛酸钾，泥合液呈深绿色。搅拌一段时间后，将所得深绿色混合液加热至35°C，反应一段时间，混合液呈棕褐色，再缓慢加入去离子水，温度升至98°C并保温一段时间。进