石墨烯高温自蔓延合成及铁磁性能研究

发布时间：2018-02-09 05:36

本文关键词： 石墨烯掺氮石墨烯高温自蔓延合成铁磁性　出处：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：石墨烯是一类由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构的碳质材料。自2004年被发现以来,已经在实验科学及理论科学等多方面受到了极大的关注。由于石墨烯材料具有较特殊的纳米结构及诸多优异的性能,使其已经在光学、电子学、生物医学、储能、传感器及磁性等诸多领域显示出了巨大的应用潜能。目前通常采用的石墨烯制备方法有微机械剥离法、化学气相沉积法、化学氧化还原法等。化学气相沉积法可以合成结构完整的少层石墨烯,但该方法对设备要求高,而且操作复杂;化学氧化还原法的操作过程较简单,但合成的石墨烯缺陷较多,石墨烯无法完全还原;机械剥离法制得的石墨烯层数较薄,质量好,但产量很低。本文采用了一种远离平衡态的高温自蔓延合成法(SHS)制备石墨烯及掺氮石墨烯,并用X-射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、X-射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)等测试方法对其组织形貌进行表征。同时利用超导量子干涉仪(SQUID)对石墨烯进行磁性检测。考察了不同比例及种类的碳源、氮源对石墨烯及掺氮石墨烯的微观结构、元素组成含量及性质的影响,并围绕高温自蔓延合成法制得的石墨烯及掺氮石墨烯所具备的独特的铁磁性能进行了详细的研究。以碳酸钙、葡萄糖、蔗糖和淀粉为碳源,采用高温自蔓延合成法制备少层石墨烯,石墨烯为多褶皱的3D结构,层数在10层以下。在TEM图中可以明显看出,石墨烯片层的生长是以氧化镁等反应产物为模板,围绕其周围进行生长的。通过对得到的石墨烯的结构进行表征可以看出,不同碳源及不同反应物比例均能够对石墨烯的微观结构及缺陷密度有明显的影响。标准化学计量比的反应物制得的石墨烯的片层尺寸更大,结构更完整。普鲁士蓝或尿素为氮源,以碳酸钙为碳源,采用高温自蔓延合成法制备掺氮石墨烯。从SEM和TEM图可以看出,掺氮石墨烯结构中褶皱较多。随着氮含量的增加,掺氮石墨烯片层尺寸更小,层数更薄。以普鲁士蓝为氮源只能制备得到氮含量较低的掺氮石墨烯,氮含量小于1 at.%。尿素可以作制备高掺氮量的掺氮石墨烯较为理想的氮源。以尿素为氮源制备得到的掺氮石墨烯中的氮含量可以随着反应物比例不同发生明显变化,氮含量最高可以达到11.17 at.%。对掺氮石墨烯元素含量分析可以看出,氮原子多以吡咯氮的结构形式存在,且吡咯氮的比例随着氮含量的增加而增加。石墨烯磁性研究表明,石墨烯的室温最高饱和磁化强度为0.19 emu/g,矫顽力为102.53 Oe,且其铁磁性能在一定温度下(400 K)相对稳定。对石墨烯进行真空热还原-高温氧化处理后,化学计量比反应物制得的石墨烯(G 2)的饱和磁化强度随着处理温度的增加而减小,非化学计量比反应物制得的石墨烯(G 3)的饱和磁化强度随着热处理温度的增加而逐渐增加。通过分析磁性与缺陷类型间相互关系可以看出,随着温度增加,化学计量比反应物制得的石墨烯的拉曼缺陷减少,红外缺陷没有明显变化;非化学计量比反应物制得的石墨烯的拉曼缺陷减少,红外缺陷增加。因此可以证明,石墨烯磁性强度的影响因素包含碳六元环破坏引起的缺陷及含氧官能团引起的缺陷两个方面,是两种缺陷共同作用的结果。以尿素为氮源制得的氮含量最高的掺氮石墨烯(N-G 5,氮含量11.17 at.%)在室温下的饱和磁化强度为0.32 emu/g,矫顽力为192.56 Oe,居里温度为673 K。掺氮石墨烯的居里温度随着氮含量增加而有所增加。对氮含量较高的掺氮石墨烯(G 5)进行真空热还原-高温氧化处理后,可以看出其饱和磁化强度明显降低,通过对其中元素含量及结构分析后可以看出,在600K温度时,多数吡咯氮转化成为吡啶氮,在650K-700K温度之间,掺氮石墨烯的氮含量发生明显下降。氮元素的含量降低及结构转变是掺氮石墨烯热处理后磁性降低的主要原因之一。
[Abstract]:This paper studies the microstructure , chemical vapor deposition , chemical oxidation and reduction of graphene and carbon doped graphene by high temperature self - propagating synthesis method . The saturation magnetization of graphene ( G _ 3 ) prepared by the reactants was decreased with the increase of the treatment temperature , and the saturation magnetization of graphene ( G _ 3 ) was decreased with the increase of the treatment temperature .

【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ127.11

【参考文献】