石墨烯的改性及氮掺杂双层石墨烯的第一性原理研究

石墨烯的改性及氮掺杂双层石墨烯的第一性原理研究

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1、东南万方数据大学硕士学位论文石墨烯的改性及氮掺杂双层石墨烯的第一性原理研究本研究得到教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET.12.0119),江苏省“青蓝工程’’和“六大人才高峰(2013-JY-007)”等项目的支持。万方数据STUDIESOINMODIFICATIONOFGRAPHENEANDFIRSTPRⅢCIPLESCALCULATIOINOFN—DOPEDBILAⅦRGRAPHENEADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeo

2、fMasterofEngineeringBYSupervisedbyProf.WANGJigangSchoolofMaterialsScienceandEngineeringSoutheastUniversity万方数据东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在

3、论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名:j兰鳕·-r、¨,东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可以公布(包括以电子信息形式刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括以电子信息形式刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名:二L盈导师签名:础日研究生签名:j之鱼导师签名:厶缝型:1日期:丝!笙:皇:!兰

4、万方数据摘要自2004年被成功制备以来,石墨烯以其极为独特的结构及优异的电学、热学和力学等性能,已成为当前研究的热点,其在电子器件、传感器、储能材料和复合材料等领域中具有极为广阔的应用前景。本论文以石墨烯的改性为主要研究内容,对石墨烯进行了宏观形貌改性及化学掺杂改性,在目前与石墨烯相关的热门课题中,选择并深入研究了海绵状石墨烯的制备、氮掺杂石墨烯的制备以及氮掺杂双层石墨烯模型电学性质的第一性原理计算这三方面内容。前两方面属于石墨烯的改性研究实验部分,结合当前国内外研究背景,将氧化石墨烯溶液冷冻干燥后,利用微波辐照法,实

5、现了海绵状石墨烯快速、简便、环保的制备。采用NH4+插层氧化石墨,再经高能微波处理,可得到氮掺杂石墨烯,并具有简便易行、安全、成本低、易于大规模生产等优点。对于各产物,使用SEM、TEM、XRD、FT-IR、XPS等检测方法对其形貌及结构进行分析表征。此外,本论文还介绍了第一性原理以及密度泛函理论的相关原理与方程,并使用MaterialsStudio软件中的MaterialsVisualizer模块来构建计算模型,再选用CASTEP计算模块,使用局域密度近似(LDA)泛函对模型进行结构优化,广义梯度近似(GGA)中的P

6、W91泛函对模型的电子特性进行计算。获得的计算数据主要包括各模型的点阵结构、电荷分布、自旋极化以及能带和态密度等。重点分析了掺杂N原子的存在对双层石墨烯模型能带结构的影响,探讨了吡啶N、吡咯N和石墨N三种不同类型掺杂N原子对模型结构与性能的影响,希望相应的理论研究结果可以更好地指导相关实验,并可以为后人的研究提供参考。本论文的研究主要得到以下结论:(1)以改进的Hummers制备得到的氧化石墨为溶质,分别以水及水,叔丁醇混合溶液为溶剂进行冷冻干燥,制备疏松多孔的海绵状氧化石墨烯作为前驱体。采用微波辐照法,可以在保留前驱

7、体形貌的基础上,充分还原海绵状氧化石墨烯,得到海绵状石墨烯。还原产物中残留的氧元素含量大幅降低,并具有较低的石墨层数,微波还原的效果较为理想,实现了海绵状石墨烯快速简捷的制备。以水一叔丁醇混合溶液代替水作为溶剂,可以极大地缩短冷冻干燥时间。叔丁醇的加入,并不影响微波剥离的效果;而使得氧化石墨烯出现团聚,改变了海绵状氧化石墨烯的聚集方式,前驱体的形貌、颜色等也出现明显区别,其特征峰存在一定程度的偏移,而产物的物相结构和所包含的官能团无明显的变化。加入叔丁醇后冷冻干燥可获得孔径更为细小的海绵状氧化石墨烯,最终得到的海绵状石

8、墨烯产物则具有更大的比表面积和更好的吸附性能。万方数据豕雨大学坝上学位论文(2)高能微波辐照法,通过高功率诱导激发前驱体处于非稳态,并产生剧烈热运动:结合真空负压环境,强化石墨烯的剥离效果,最终实现了NH4+插层氧化石墨的快速剥离及氮掺杂,可得到石墨层数较低的氮掺杂石墨烯产物,产物具有非常良好的还原效果,而N原子的掺入也使得最终产

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