刻孔石墨烯的控制制备、改性及其在电化学领域的应用
发布时间：2021-12-24 07:22
刻孔石墨烯是指在二维的石墨烯上引入纳米级孔洞,获得带有孔洞的石墨烯材料。相比传统的石墨烯,刻孔石墨烯独特的孔的引入增加了比表面积、产生更多的缺陷,产生更多的活性位点,使得活性物质在层与层之间有扩散的路径,拓展了石墨烯在电催化、电化学储能方面的应用,特别是原子级别的孔可以起到筛分不同尺寸的离子、分子的作用,在气体分离方面具有应用前景。孔的引入,有效地打开了石墨烯的能带隙,改变了石墨烯的惰性化学性质,这极大促进了石墨烯在电子器件领域的推广。对刻孔石墨烯进行N掺杂可以增加表面的活性位点,在增强石墨烯的导电性,使其在容量特性、快速充放电能力以及循环寿命方面得到提高。本论文研究刻蚀条件与制备刻孔石墨烯结构之间的关系,利用不同的氮源对刻孔石墨烯进行掺杂,研究孔结构及氮源对氮掺杂刻孔石墨烯的影响。创新点是改变刻蚀剂调节孔的密度和结构,来改变氮掺杂量的高低,以及氮的结构,还可以改变氮源调整掺杂形式,我们进行了电化学性能测试,发现氮掺杂刻孔石墨烯用于超级电容器及锂离子电池的电极材料,表现出优异的性能。具体的研究内容如下:（1）刻孔石墨烯的制备。实验以氧化石墨烯作为原料,在其中加入不同的金属盐,在进行冷冻...
【文章来源】：山东理工大学山东省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
石墨烯材料的应用领域图
山东理工大学工程硕士学位论文第一章绪论4(2)刻孔石墨烯独特的孔结构，使得离子能跨越层与层之间运输，有效促进电解液层间传输、缩短了传输路径。(3)刻孔石墨烯的独特孔结构，本身就是一种缺陷，适合进行掺杂和复合，利用这个优势可以和其他电极材料组合在一起，结合二者的优势，利用刻孔材料的大比表面积和机械强度来改善氧化物的稳定性，增强它的机械强度。1.3.1刻孔石墨烯的结构及制备方法图1.2金属纳米粒子镍刻蚀石墨烯切割机理示意图[17]Fig.1.2Schematicdiagramofmetalnanoparticlenickeletchinggraphenecuttingmechanism[17]根据刻蚀机理不同，采用的制备方法与反应条件各异，刻孔石墨烯在孔的结构、密度、孔分布及孔的形态和尺寸上会有明显的差异，图1.2是金属纳米粒子镍刻蚀石墨烯切割机理示意图，Ni纳米粒子像一把小刀切割石墨烯。图1.3(a)图是电子束刻蚀法制备的刻孔石墨烯样品的TEM图[1,18]，该方法的制备原理是利用电子束来精准刻蚀，如图所示，孔直径大约控制在5nm左右，孔洞周围的碳层仍维持了高度的晶格结构，说明该条件下，石墨烯的结构保持完整，保证了刻孔石墨烯片的稳定性；图1.2(b)图是通过碳热还原机理制备的刻孔石墨烯的TEM图[1,19]，可以看出孔的尺寸是几纳米到十几纳米左右，该方法的优势是以氧化锌颗粒为模板，其极容易和石墨烯分离，可以通过控制氧化锌模板的调控来控制孔密度、孔间距及孔尺寸，孔尺寸均一，分布较有规律；图1.2(c)图是有KMnO4刻蚀得到的刻孔石墨烯材料的SEM图[20]，该方法制备的多孔石墨烯材料的比表面积远远大于纯石墨烯的比表面积，中孔结构赋予了电解质离子的高速传输，使其具有优异的电化学性能[1]；图1.2(d)中是硝酸氧化法所得刻孔石墨烯的AFM图[1,21]，从样品的片层上可以看到密集却
山东理工大学工程硕士学位论文第一章绪论5性较高的缺陷区，余下片层上的碳原子sp2杂化程度较高。图1.3不同方法制备的多孔石墨烯示意图（a）电子束刻蚀法样品的TEM图[18]（b）碳热还原法制备的样品的TEM图[19]（c）MnO2刻蚀的样品的SEM图[20]（d）硝酸氧化样品的AFM图[21]Fig.1.3Structuresofholeygraphene:(a)TEMimageofasuspendedgraphenesheetwithmultiplenanopores;(b)TEMimageofporousgraphenethroughcarbothermalreductionetching;(c)SEMimageofporousgrapheneusingtheetchingofgraphenesheetsbyMnO2;(d)AFMimageofHGviaHNO3oxidation目前有很多物理/化学方法均可以得到刻孔石墨烯，由于制备原理的不同，借助不借助模具，可以把这些方法分为模板法和无模板法。这些方法大多以石墨烯或者氧化石墨烯为前驱体[1]，利用石墨烯基本理化性质的基础上不同程度地借鉴了其它多孔材料的制备方法，此外还存在以碳质小分子为前驱体，通过自下而上的自组装得到多孔石墨烯的方法。模板法主要包括光电子刻蚀、化学气相沉积法[22]等，适于制备具有高度有序性孔结构的多孔石墨烯，但这些方法往往高成本、低产率、操作复杂，对仪器设备和环境条件的要求较高[1]，而且孔的形成以牺牲模板为代价，残留模板会影响多孔石墨烯的性能；无模板法大多低成本、高产率、操作简便，但其对石墨烯片层上孔结构的控制较差，得到的多是孔无序分布、尺寸不一的多孔石墨烯。无模板法主要包括电子束自组装[23]、电子/离子刻蚀[24]、化学氧化法[25-28]、物理活化法[29-31]等。以下我们主要从这两方面进行介绍多孔石墨烯的制备方法。
本文编号：3550059
【文章来源】：山东理工大学山东省
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【学位级别】：硕士
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石墨烯材料的应用领域图
山东理工大学工程硕士学位论文第一章绪论4(2)刻孔石墨烯独特的孔结构，使得离子能跨越层与层之间运输，有效促进电解液层间传输、缩短了传输路径。(3)刻孔石墨烯的独特孔结构，本身就是一种缺陷，适合进行掺杂和复合，利用这个优势可以和其他电极材料组合在一起，结合二者的优势，利用刻孔材料的大比表面积和机械强度来改善氧化物的稳定性，增强它的机械强度。1.3.1刻孔石墨烯的结构及制备方法图1.2金属纳米粒子镍刻蚀石墨烯切割机理示意图[17]Fig.1.2Schematicdiagramofmetalnanoparticlenickeletchinggraphenecuttingmechanism[17]根据刻蚀机理不同，采用的制备方法与反应条件各异，刻孔石墨烯在孔的结构、密度、孔分布及孔的形态和尺寸上会有明显的差异，图1.2是金属纳米粒子镍刻蚀石墨烯切割机理示意图，Ni纳米粒子像一把小刀切割石墨烯。图1.3(a)图是电子束刻蚀法制备的刻孔石墨烯样品的TEM图[1,18]，该方法的制备原理是利用电子束来精准刻蚀，如图所示，孔直径大约控制在5nm左右，孔洞周围的碳层仍维持了高度的晶格结构，说明该条件下，石墨烯的结构保持完整，保证了刻孔石墨烯片的稳定性；图1.2(b)图是通过碳热还原机理制备的刻孔石墨烯的TEM图[1,19]，可以看出孔的尺寸是几纳米到十几纳米左右，该方法的优势是以氧化锌颗粒为模板，其极容易和石墨烯分离，可以通过控制氧化锌模板的调控来控制孔密度、孔间距及孔尺寸，孔尺寸均一，分布较有规律；图1.2(c)图是有KMnO4刻蚀得到的刻孔石墨烯材料的SEM图[20]，该方法制备的多孔石墨烯材料的比表面积远远大于纯石墨烯的比表面积，中孔结构赋予了电解质离子的高速传输，使其具有优异的电化学性能[1]；图1.2(d)中是硝酸氧化法所得刻孔石墨烯的AFM图[1,21]，从样品的片层上可以看到密集却
山东理工大学工程硕士学位论文第一章绪论5性较高的缺陷区，余下片层上的碳原子sp2杂化程度较高。图1.3不同方法制备的多孔石墨烯示意图（a）电子束刻蚀法样品的TEM图[18]（b）碳热还原法制备的样品的TEM图[19]（c）MnO2刻蚀的样品的SEM图[20]（d）硝酸氧化样品的AFM图[21]Fig.1.3Structuresofholeygraphene:(a)TEMimageofasuspendedgraphenesheetwithmultiplenanopores;(b)TEMimageofporousgraphenethroughcarbothermalreductionetching;(c)SEMimageofporousgrapheneusingtheetchingofgraphenesheetsbyMnO2;(d)AFMimageofHGviaHNO3oxidation目前有很多物理/化学方法均可以得到刻孔石墨烯，由于制备原理的不同，借助不借助模具，可以把这些方法分为模板法和无模板法。这些方法大多以石墨烯或者氧化石墨烯为前驱体[1]，利用石墨烯基本理化性质的基础上不同程度地借鉴了其它多孔材料的制备方法，此外还存在以碳质小分子为前驱体，通过自下而上的自组装得到多孔石墨烯的方法。模板法主要包括光电子刻蚀、化学气相沉积法[22]等，适于制备具有高度有序性孔结构的多孔石墨烯，但这些方法往往高成本、低产率、操作复杂，对仪器设备和环境条件的要求较高[1]，而且孔的形成以牺牲模板为代价，残留模板会影响多孔石墨烯的性能；无模板法大多低成本、高产率、操作简便，但其对石墨烯片层上孔结构的控制较差，得到的多是孔无序分布、尺寸不一的多孔石墨烯。无模板法主要包括电子束自组装[23]、电子/离子刻蚀[24]、化学氧化法[25-28]、物理活化法[29-31]等。以下我们主要从这两方面进行介绍多孔石墨烯的制备方法。
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