石墨烯结构调控、功能组装及其应用研究Study on structure control, functional assembly and application of graphene.pdf

《石墨烯结构调控、功能组装及其应用研究Study on structure control, functional assembly and application of graphene.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、石墨烯结构调控、功能组装及其应用研究赵扬2015年1月中图分类号：O646.5UDC分类号：544石墨烯结构调控、功能组装及其应用研究作者姓名赵扬学院名称化学学院指导教师曲良体教授答辩委员会主席石高全教授申请学位理学博士学科专业物理化学学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月15号TheStructureRegulation,FunctionalAssemblyandApplicationStudyofGraphenesCandidateName:YangZhaoSchoolorDepartment:SchoolofChemist

2、ryFacultyMentor:Prof.LiangtiQuChair,ThesisCommittee:Prof.GaoquanShiDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor:PhysicalChemistryDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:January15,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发

3、表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要2石墨烯是sp杂化单原子层的二维晶体，具有独特的电学、机械、热学性质，兼具大的比表面积、较低的制造成本等，近年来引起了科学研究人员的广泛关注。本论文以石墨烯为基础材料，开展对石墨烯材料新型结构和组装的研究，发掘石墨烯基材独特新颖的性质，进一步拓展其在能量储存与转换领域的应用。为此，主要通过两种途径对石墨烯进行改性和

4、组装：一种是石墨烯的本征结构调控；另一种是石墨烯的功能组装。并在此基础上开展功能化的石墨烯材料在电化学能量转换和储存方面的应用研究。研究成果如下：1．石墨烯本征结构的调控建立了一种简单、有效的调控石墨烯量子点本征结构的电化学方法。利用该方法，制备出了氮原子掺杂的石墨烯量子点，该氮掺杂石墨烯量子点的氮/碳的原子比值为4.3%，具有与以往石墨烯量子点不同的光电特性，该方法有效的调控了石墨烯量子点固有的光学和电子特性，为量子点在能量转化等领域的应用开辟了新的方向。2．石墨烯的功能组装1）石墨烯的宏观一维结构组装发展了一种连续化同轴湿法纺丝技术，实

5、现了形貌可控的氧化石墨烯中空纤维的连续化生产。该方法能在30秒内生产出1米长的氧化石墨烯中空纤维，生产速率是-13.3cms，而且能够对其进行原位修饰，通过简单的加热或者化学还原可转变为石墨烯中空纤维。此外，通过控制同轴装置内部毛细管里的压缩空气，实现了密度和形貌可控的“项链式”氧化石墨烯中空纤维的制备。2）石墨烯的三维组装建立了一种小分子辅助超轻石墨烯组装的新方法。该方法利用吡咯共轭分子与石墨烯片层间的分子间作用力，通过一步水热法，实现了三维大孔、超轻石墨烯网络结构的组装。该超轻石墨烯网络结构中只含有少数层的石墨烯，其密度仅有2.1±0.

6、3mg-3cm，是目前单纯石墨烯材料中密度最小的。其还具有很高的吸附能力、热稳定性和优异的电化学性能。在此方法的基础上，一方面，发展了一种金属氧化物辅助三维石墨烯原位刻蚀孔洞的方法。采用铁氧化物纳米颗粒在高温处理过程中的原位刻蚀原理，合成了三维分I北京理工大学博士学位论文级纳米网孔结构的石墨烯泡沫。同时，实现了氮或硫原子单掺杂和双掺杂的石墨烯纳米网孔泡沫的可控制备。另一方面，发展了原位电化学合成石墨烯功能复合结构的方法。对含有吡咯单体的石墨烯水凝胶直接进行电聚合，得到了聚吡咯/石墨烯的复合泡沫。该复合泡沫能够承受较大的压缩应变而不发生任何结

7、构的坍陷及弹性的损失。此外，利用石墨烯二维平面结构作为模板，诱导实现了一维石墨化氮化碳纳米条带在石墨烯片上的组装，制备出了石墨化氮化碳纳米条带/石墨烯层相交联的三维复合网络结构。通过调节反应参数可以实现一维石墨化氮化碳纳米条带在石墨烯表面的可控组装。3.石墨烯及其功能组装体的应用通过对石墨烯的改性和功能组装，开展了石墨烯及其功能组装体在电化学能量转换和储存等领域的应用研究。在电化学能量转换方面：采用石墨烯作为基底所合成的氮掺杂的石墨烯量子点/石墨烯材料表现出了优异的电催化活性，拓展了石墨烯量子点在电催化领域的应用。氮，硫原子共掺杂的石墨烯纳

8、米网孔泡沫在氧还原反应中显示出了极大的应用潜力，其性能接近商业催化剂。通过对一维石墨烯中空纤维进行原位功能化修饰，可以初步组装成光-电能量转换的器件，得到了稳定的光电流响应性能。