石墨烯基材料的微、宏观结构调控及其在能源相关器件中的应用
发布时间：2020-11-05 01:19
石墨烯片层具有特殊的物理、化学性质,但这并不意味着由石墨烯组装而成的器件就会展现出高的性能。根据应用的需求,我们以石墨烯片层为构筑单元,对其进行微观、宏观结构调控及功能化,为寻求高效的能量储存和转换材料提供了理论基础和实验依据。主要研究内容如下:一、石墨烯基材料的微观调控石墨烯的微观调控,也叫本征调控,通过改变基元碳的化学环境,使其性质发生变化,以产生有别于原始石墨烯的功能。主要包括杂原子掺杂,缺陷以及尺寸的控制。1.作为锂离子电池负极材料,商业石墨的理论容量较低。我们利用原位剥离碳胶囊的方法制备出N,S共掺杂的“石墨烯片-纳米胶囊”结构。N,S元素的掺杂,小尺寸石墨烯片中大量的边缘结构,胶囊壁上丰富的缺陷,以及碳胶囊本身保持的高导电性,使该材料成为具有高容量,长寿命和优越倍率性能的储锂负极材料。2.开发出高掺N量的类石墨烯胶囊,较大的比表面积和高的N含量使该材料可以作为高效的氧还原反应催化剂和锂离子电池负极材料。另外,制备胶囊过程中,在类石墨烯片层上原位生长了竹节状碳纳米管须,得到了碳管包覆石墨烯胶囊的海胆状结构,结构中产生大量的微孔、介孔和缺陷。样品维持了高的掺氮量的同时,导电性有所提高。这些特点为材料作为高效氧还原反应催化剂和锂离子电池负极材料提供了丰富的活性位点、快速的电子传输和物质交换路径,使组成器件性能上有很大的突破。二、石墨烯宏观结构组装的研究一维的纤维状石墨烯质量轻,可编织,易功能化;多孔、网络状的三维石墨烯具有导电性好、比表面积大、可压缩等特点。我们研究了石墨烯的一维和三维宏观组装。1.利用双重区域限定的方法,首次制备出直径可控的一维石墨烯微米管。这种具有超轻、超强、高导电性、好的柔韧性等特点的微米管可以被塑形成分级、多通道结构;同时我们还对所得微米管成功进行了靶向功能化修饰(外壁修饰,内壁修饰,内/外壁修饰,壁内修饰)。2.发展了一种“活性基底辅助还原氧化石墨烯”的方法,将氧化石墨烯(GO)还原并三维组装到任意基底上,探讨了相关的反应机理,为石墨烯的组装、应用,提供了简单、有效的途径。三、溶剂热法组装三维石墨烯及对石墨烯的功能化研究在三维组装的同时,将石墨烯按照特定的组成和结构进行原位功能化1.开发了“二次活性基底辅助还原”的普适方法合成多种金属基纳米结构功能化的三维石墨烯。首先,在活性基底上实现对GO的还原和三维组装;再以石墨烯纳米片为正极,在上面沉积金属(M)相关的成分。合成了包括M、金属氧化物(M2On)、M-M2On、M2On、合金等功能化的石墨烯,并被成功用作燃料电池催化剂、锂离子电池负极材料、光电转换材料、磁性吸波材料等。2.设计与合成了三维石墨烯负载低Pt载量的异质结构(Pt/PdCu空方块,Pd2/PtFe网,gC3N4-Pt杂化结构)系列燃料电池催化剂。异质结构元素间的协同作用,加之三维多孔的导电载体为催化位点接触燃料分子提供了最大限度的可能,使催化剂表现出了高活性,高抗中毒能力,以及良好的稳定性;制备了三维石墨烯负载PdCu胶囊的无Pt催化剂。经过特定的活化过程,该材料表现出了比Pt基商业催化剂更为优越的乙醇催化性能。
【学位单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：O613.71
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 石墨烯简介
1.1.1 石墨烯的结构特点和特殊性质
1.1.2 石墨烯的制备
1.2 石墨烯的调控
1.2.1 石墨烯的微观调控
1.2.1.1 杂原子的调控
1.2.1.2 石墨烯尺寸的调控
1.2.1.3 缺陷的调控
1.2.2 石墨烯的宏观组装
1.2.2.1 一微石墨烯纤维
1.2.2.2 二维石墨烯膜
1.2.2.3 三维网状多孔石墨烯
1.3 石墨烯的功能化研究
1.3.1 石墨烯功能化的方法
1.3.2 石墨烯功能化的应用
1.3.2.1 能源转换方面的应用–燃料电池、太阳能电池
1.3.2.2 能源储存方面的应用–锂离子电池、超级电容器
1.4 选题背景和研究内容
1.4.1 选题背景
1.4.2 研究内容
参考文献
第二章 石墨烯微观结构调控–N，S共掺杂的“石墨烯-纳米胶囊”复合结构
2.1 引言
2.2 实验部分
2.2.1 N，S-共掺杂的石墨层包覆Ni颗粒（Ni@GCs）的制备
2.2.2 多壁石墨纳米胶囊（MWGCs）的纯化
2.2.3 N，S共掺杂的石墨化碳胶囊-石墨烯杂化材料（GC-Gs）的制备
2.2.4 石墨烯纳米片（GNPs）的制备
2.2.5 循环后TEM测试的GC-Gs样品的制备
2.2.6 测试仪器
2.2.7 锂电池性能测试
2.3 GC-G的结构表征，储锂性能研究和储锂机制探讨
2.4 本章小结
参考文献
第三章 类石墨烯的微结构调控–高掺N量类石墨烯胶囊及其与碳纳米管的杂化结构
3.1 引言
3.2 实验部分
3.2.1 原料
3.2.2 高掺氮量类石墨烯胶囊的合成
3.2.3 高掺氮量类石墨烯胶囊-碳纳米管杂化结构的合成
3.2.4 测试仪器
3.2.5 电化学性能测试
3.3 结果与讨论
3.3.1 高氮掺杂量的类石墨烯胶囊的结构表征和性能研究
3.3.2“类石墨烯–碳纳米管”杂化多孔碳胶囊的结构表征和性能研究
3.4 结论
参考文献
第四章 石墨烯宏观结构调控–维度限定法制备石墨烯微米管
4.1 引言
4.2 实验部分
4.2.1 原料
4.2.2 氧化石墨烯（GO）的制备
4.2.3 石墨烯微米管的制备
4.2.4 螺旋状，多通道的石墨烯微米管的制备
4.2.5 外壁被Pt或Pd纳米颗粒修饰的石墨烯微米管的制备
4.2.6 内壁被Pt或Pd纳米颗粒修饰的石墨烯微米管的制备
4.2.7 内/外壁被Pd/Pt纳米颗粒不对称修饰的石墨烯微米管的制备
2或Fe3O4纳米颗粒修饰的石墨烯微米管的制备'> 4.2.8 壁内被TiO2或Fe3O4纳米颗粒修饰的石墨烯微米管的制备
4.2.9 测试仪器
4.2.10电化学性能测试
4.2.11石墨烯微米管的马达测试
4.3 石墨烯微米管的靶向修饰和性能研究
4.4 本章小结
参考文献
第五章 石墨烯宏观结构调控–氧化石墨烯自发还原、组装、及功能化
5.1 引言
5.2 实验部分
5.2.1 原料
5.2.2 氧化石墨烯（GO）的制备
5.2.3 GO在活性金属箔上的还原与三维组装
5.2.4 GO在惰性金属箔以及半导体Si片表面的还原与三维组装
5.2.5 GO在ITO玻璃表面的还原与三维组装
5.2.6 GO在石墨烯膜表面的还原与三维组装
5.2.7 M、M/M2Om、M2Om、合金等功能化的三维石墨烯的制备
5.2.8 测试仪器
5.2.9 电化学性能测试
5.3 结果与讨论
5.3.1 活性金属表面的SARA-GO
5.3.2 惰性金属表面的SARA-GO
5.3.3 非金属表面的SARA-GO
5.3.4 SARA-GO过程用于构建无粘结剂锂离子电池
5.4 SARA-GO过程机理探讨
5.5 DSARA-GO过程机理探讨
5.6 DSARA法在三维多孔石墨烯上沉积多种金属结构的研究
5.6.1 DSARA法在三维多孔石墨烯上沉积金属纳米颗粒
5.6.2 DSARA法在三维多孔石墨烯上沉积金属–金属氧化物杂化结构或氧化物
5.6.3 DSARA法在三维多孔石墨烯上沉积合金结构
5.6.4 DSARA法制备的功能化三维石墨烯的应用
5.7 本章小结
参考文献
第六章 石墨烯宏观结构调控–溶剂热三维组装及功能化
6.1 引言
6.2 实验部分
6.2.1 原料
6.2.2 氧化石墨烯（GO）的制备
6.2.3 三维石墨烯负载Pt/PdCu纳米立方空壳、Pt颗粒催化剂的制备
6.2.4 XC-72负载Pt/PdCu空壳纳米立方催化剂的制备
6.2.5 三维石墨烯负载Pd2/PtFe纳米线催化剂的制备
6.2.6 三维石墨烯负载Pd、Pt、Pd2PtFe催化剂的制备
6.2.7 XC-72负载PtFe合金催化剂的制备
6.2.8 三维石墨烯负载gC3N4-Pt异质结构、Pt颗粒催化剂的制备
6.2.9 Pt/3GN+gC3N4催化剂的合成
6.2.10三维石墨烯负载PdCu纳米胶囊，Pd、Cu纳米颗粒的制备
6.2.11测试仪器
6.2.12电化学性能测试
6.3 结果与讨论
6.3.1 三维石墨烯负载低Pt载量催化剂的结构表征和性能研究
6.3.1.1 三维石墨烯负载Pt/PdCu纳米立方空壳催化剂
6.3.1.2 三维石墨烯负载低Pt载量Pd2/PtFe网状结构催化剂
6.3.2 三维石墨烯上负载gC3N4-Pt杂化结构催化剂的制备和性能研究
6.3.3 三维石墨烯负载无Pt（PdCu胶囊）催化剂的结构表征和性能研究
6.4 本章小结
参考文献
结论与展望
附录
攻读学位期间发表论文与研究成果清单
致谢
作者简介
本文编号：2870898
【学位单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：O613.71
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 石墨烯简介
1.1.1 石墨烯的结构特点和特殊性质
1.1.2 石墨烯的制备
1.2 石墨烯的调控
1.2.1 石墨烯的微观调控
1.2.1.1 杂原子的调控
1.2.1.2 石墨烯尺寸的调控
1.2.1.3 缺陷的调控
1.2.2 石墨烯的宏观组装
1.2.2.1 一微石墨烯纤维
1.2.2.2 二维石墨烯膜
1.2.2.3 三维网状多孔石墨烯
1.3 石墨烯的功能化研究
1.3.1 石墨烯功能化的方法
1.3.2 石墨烯功能化的应用
1.3.2.1 能源转换方面的应用–燃料电池、太阳能电池
1.3.2.2 能源储存方面的应用–锂离子电池、超级电容器
1.4 选题背景和研究内容
1.4.1 选题背景
1.4.2 研究内容
参考文献
第二章 石墨烯微观结构调控–N，S共掺杂的“石墨烯-纳米胶囊”复合结构
2.1 引言
2.2 实验部分
2.2.1 N，S-共掺杂的石墨层包覆Ni颗粒（Ni@GCs）的制备
2.2.2 多壁石墨纳米胶囊（MWGCs）的纯化
2.2.3 N，S共掺杂的石墨化碳胶囊-石墨烯杂化材料（GC-Gs）的制备
2.2.4 石墨烯纳米片（GNPs）的制备
2.2.5 循环后TEM测试的GC-Gs样品的制备
2.2.6 测试仪器
2.2.7 锂电池性能测试
2.3 GC-G的结构表征，储锂性能研究和储锂机制探讨
2.4 本章小结
参考文献
第三章 类石墨烯的微结构调控–高掺N量类石墨烯胶囊及其与碳纳米管的杂化结构
3.1 引言
3.2 实验部分
3.2.1 原料
3.2.2 高掺氮量类石墨烯胶囊的合成
3.2.3 高掺氮量类石墨烯胶囊-碳纳米管杂化结构的合成
3.2.4 测试仪器
3.2.5 电化学性能测试
3.3 结果与讨论
3.3.1 高氮掺杂量的类石墨烯胶囊的结构表征和性能研究
3.3.2“类石墨烯–碳纳米管”杂化多孔碳胶囊的结构表征和性能研究
3.4 结论
参考文献
第四章 石墨烯宏观结构调控–维度限定法制备石墨烯微米管
4.1 引言
4.2 实验部分
4.2.1 原料
4.2.2 氧化石墨烯（GO）的制备
4.2.3 石墨烯微米管的制备
4.2.4 螺旋状，多通道的石墨烯微米管的制备
4.2.5 外壁被Pt或Pd纳米颗粒修饰的石墨烯微米管的制备
4.2.6 内壁被Pt或Pd纳米颗粒修饰的石墨烯微米管的制备
4.2.7 内/外壁被Pd/Pt纳米颗粒不对称修饰的石墨烯微米管的制备
2或Fe3O4纳米颗粒修饰的石墨烯微米管的制备'> 4.2.8 壁内被TiO2或Fe3O4纳米颗粒修饰的石墨烯微米管的制备
4.2.9 测试仪器
4.2.10电化学性能测试
4.2.11石墨烯微米管的马达测试
4.3 石墨烯微米管的靶向修饰和性能研究
4.4 本章小结
参考文献
第五章 石墨烯宏观结构调控–氧化石墨烯自发还原、组装、及功能化
5.1 引言
5.2 实验部分
5.2.1 原料
5.2.2 氧化石墨烯（GO）的制备
5.2.3 GO在活性金属箔上的还原与三维组装
5.2.4 GO在惰性金属箔以及半导体Si片表面的还原与三维组装
5.2.5 GO在ITO玻璃表面的还原与三维组装
5.2.6 GO在石墨烯膜表面的还原与三维组装
5.2.7 M、M/M2Om、M2Om、合金等功能化的三维石墨烯的制备
5.2.8 测试仪器
5.2.9 电化学性能测试
5.3 结果与讨论
5.3.1 活性金属表面的SARA-GO
5.3.2 惰性金属表面的SARA-GO
5.3.3 非金属表面的SARA-GO
5.3.4 SARA-GO过程用于构建无粘结剂锂离子电池
5.4 SARA-GO过程机理探讨
5.5 DSARA-GO过程机理探讨
5.6 DSARA法在三维多孔石墨烯上沉积多种金属结构的研究
5.6.1 DSARA法在三维多孔石墨烯上沉积金属纳米颗粒
5.6.2 DSARA法在三维多孔石墨烯上沉积金属–金属氧化物杂化结构或氧化物
5.6.3 DSARA法在三维多孔石墨烯上沉积合金结构
5.6.4 DSARA法制备的功能化三维石墨烯的应用
5.7 本章小结
参考文献
第六章 石墨烯宏观结构调控–溶剂热三维组装及功能化
6.1 引言
6.2 实验部分
6.2.1 原料
6.2.2 氧化石墨烯（GO）的制备
6.2.3 三维石墨烯负载Pt/PdCu纳米立方空壳、Pt颗粒催化剂的制备
6.2.4 XC-72负载Pt/PdCu空壳纳米立方催化剂的制备
6.2.5 三维石墨烯负载Pd2/PtFe纳米线催化剂的制备
6.2.6 三维石墨烯负载Pd、Pt、Pd2PtFe催化剂的制备
6.2.7 XC-72负载PtFe合金催化剂的制备
6.2.8 三维石墨烯负载gC3N4-Pt异质结构、Pt颗粒催化剂的制备
6.2.9 Pt/3GN+gC3N4催化剂的合成
6.2.10三维石墨烯负载PdCu纳米胶囊，Pd、Cu纳米颗粒的制备
6.2.11测试仪器
6.2.12电化学性能测试
6.3 结果与讨论
6.3.1 三维石墨烯负载低Pt载量催化剂的结构表征和性能研究
6.3.1.1 三维石墨烯负载Pt/PdCu纳米立方空壳催化剂
6.3.1.2 三维石墨烯负载低Pt载量Pd2/PtFe网状结构催化剂
6.3.2 三维石墨烯上负载gC3N4-Pt杂化结构催化剂的制备和性能研究
6.3.3 三维石墨烯负载无Pt（PdCu胶囊）催化剂的结构表征和性能研究
6.4 本章小结
参考文献
结论与展望
附录
攻读学位期间发表论文与研究成果清单
致谢
作者简介
本文编号：2870898
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