氮掺杂碳纳米管及氧化石墨烯薄膜的制备及其性能研究

发布时间：2020-10-23 22:55

　　 碳纳米管(carbon nanotube,CNTs)是一种特殊的一维碳材料,可以看作是由石墨片沿着中心卷曲而成的中空纳米管状结构,石墨烯/碳纳米管(G/CNTs)复合材料结构决定了其优异的物理和化学性能,这也吸引了广大科研人员的关注。氮原子具有比碳更带小的原子半径,以及氮原子的电负性(3.04)比C原子(2.55)更高,因此,氮原子可以作为电子供体以取代的方式对碳纳米管和氧化石墨烯(graphene oxide,GO)进行掺杂,从而改善CNTs和GO电学和光学等方面的性能。目前,氮掺杂碳纳米材料通常是通过多步化学气相沉积(CVD)法制备的。这些氮掺杂石墨稀的方法通常需要较为复杂的实验流程,并且一般需要较高的温度,并且不容易得到高含氮量的N掺杂碳纳米材料。特别是对于研究膜状的掺杂石墨稀光电等性能时,在高温下往往容易造成膜变脆而容易破裂,造成膜的不连续,从而影响其研究。因此,探索一种简单、低温、高效且适合大规模合成N掺杂石墨烯基纳米材的方法并对样品性质进行系统的研究虽得尤为重要,也是当前科研工作者急需解决的问题。在本论文中,我们研究了基于石墨烯量子点(Graphene Quantum Dots,GQDs)无催化剂一步制备碳纳米管过程中影响碳纳米管形貌和微结构的因素。同时我们采用无催化剂的CVD方法一步制备出氮掺杂碳纳米管。本方法不需要金属催化剂、也不利用前驱体,且更简单、更快速、生长时间短。本论文主要研究内容如下:1、GQDs和GO的制备本章节详细介绍采用氧化法制备石墨烯量子点样品、和改进Hummers方法制备氧化石墨烯的具体实验过程,给出实验所需原材料、实验所用试剂以及表征仪器,并且对GQDs和GO样品的形貌及微结构等表征做了简单的介绍。2、基于石墨烯量子点的碳纳米管的制备及性能研究本章节具体介绍了一种简单的无催化方法制备出竹节型碳纳米管,系统研究了基于石墨烯量子点无催化剂制备碳纳米管过程中影响碳纳米管形貌和微结构的因素及其光致发光的光学性能研究。研究结果表明:由扫描电子显微镜(SEM)综合分析可以得到,生长温度为900℃时,更合适碳纳米管的生长,制备的碳纳米管质量最佳;生长时间对制备的碳纳米管的管径有较大的影响,但是不会改变其基本形貌;乙炔气体的流量对制备的碳纳米管的形貌有着显著的影响,当乙炔流量为0.25 ml/min时,制备的碳纳米管品质较好。透射电镜显微镜(TEM)显示制备出的CNTs为竹节型碳纳米管,在一定时间范围内,随着生长时间的增加,乙炔流量的增大,CNTs的管径随之递增。光致发光(photoluminescence,PL)测试结果显示,BCNTs样品在292 nm、362 nm具有明显的吸收峰,竹节型碳纳米管(BCNTs)的近紫外区发光被认为与GQDs的催化活性有关。因此,CNTs优越的光学性能能够使其在许多应用中得到应用,包括多色发光器件、生物应用和光伏发电。3、基于石墨烯量子点的一步CVD法制备氮掺杂碳纳米管的研究本章节具体介绍了一种简单的、无催化剂的CVD法一步制备氮掺杂碳纳米管的工艺装置以及生产过程。本方法不需要金属催化剂、也不利用前驱体,且更简单、更快速、生长时间短。系统研究了基于石墨烯量子点无催化剂一步制备氮掺杂碳纳米管过程中影响碳纳米管形貌和微结构的因素。研究结果表明:由SEM综合分析可以得到,制备的氮掺杂碳纳米管管径分布均匀,为45-60 nm。拉曼光谱(Raman)和X射线光电子能谱(XPS)表征结果表明,N原子的掺杂破坏了CNTs原本的六边形石墨结构,引起缺陷,从而导致其的晶化程度和热稳定性下降。4、氮掺杂氧化石墨烯薄膜的制备及其太赫兹性能研究本章节具体介绍了一种简单的旋涂法制备氧化石墨烯薄膜,对GO薄膜进行光化学氮掺杂,并探究了NGO薄膜在太赫兹波段的响应。SEM表征结果显示,NGO薄膜呈卷曲片状结构,且是由大量的单层氧化石墨烯堆积而成的多层氧化石墨烯。掺杂前后样品的XPS表征表明,与原始GO薄膜比较,在NGO薄膜样品中氧的含量明显下降,且出现了明显的氮峰,同时对N元素的键型进行了详细的分析。THz-TDS测试中频域图谱结果显示,随着氮掺杂时间的变化,NGO薄膜出现了明显太赫兹吸收,而rGO薄膜的太赫兹波段频域图谱保持稳定状态,没有特征频率下的吸收。
【学位单位】：广西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O484
【部分图文】：

物材料的制备及其应用不断推动着科技的发展和不年日本科学家 Iijinma[4]发现碳纳米管（carbon nanotube备出石墨烯（graphene）[5]以来，由于二者优异的电学晶体管、场致发射装置、储能材料、复合材料、生物述特殊的一维碳材料，可以看作是由石墨片沿着中心卷根据石墨片的层数可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳-2 nm，长度分布在 0.2-50 μm 范围内，而科学家 Iijin 2-25 nm，长度分布在 0.1-50 μm 范围内[10]。

三聚氰胺与 FeCl3物质的量比为 4 时制备出品质高的过程中进行氮原子掺杂外，通过后处理的方法，在含氮的可制备出氮掺杂碳纳米管。如等离子体、水热、球磨等。米材料的应用于其独特的电学、力学和化学性质是一种很有发展前景的和碳纳米管复合材料的应用越来越广泛（图 1.2）。它们和高机械强度等性能。由于它们的小直径和高纵横比，它体现是它们在平板显示器上的应用。米管在聚合物复合材料中作为填料具有广阔的应用前景。纤维和用于防静电的炭黑。它们还可以作为导电聚合物的碳纳米管用于导电环氧聚合物和聚乙烯醇(PVOH)基体的度和导电性。纳米管的高刚度和断裂应力也使其也适用于

广西师范大学硕士学位论文管复合材料可以作为锂离子电池的电极材料，需要在电极材料中嵌入作为电化学电容器的电极材料，而电化学电容器需要很高的比表面积材管可以作为单个分子用于微型化电子器件的元件中。氧化石墨烯薄膜的概述是一种由碳原子以 sp2杂化轨道构成的蜂窝状的二维碳纳米材料。氧化 oxide，GO）是典型的石墨烯的氧化物，具有独特的二维片层结构[48]，.3 所示[49]。氧化石墨烯具有石墨烯类似的优异物理化学性质。由于氧化大量的含氧官能团，如羟基、羧基以及环氧基团等，因此在电学方面被。GO 分散性好，不仅在水中容易分散，而且能分散在许多的溶剂中，。此外，在适当的条件下，GO 中的含氧官能团能通过氢键、共价键、用和其他物质相结合，为薄膜的制备提供条件[50]。研究表明，对氧化石可以有效的改变其电子结构，从而调控材料的光电性能[51]。
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本文编号：2853659