面向能量存储和光电转化应用的复合碳纳米材料

发布时间：2017-06-07 19:13

  本文关键词：面向能量存储和光电转化应用的复合碳纳米材料，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：自2004年石墨烯首次被发现以来,它引起了极大的研究兴趣,在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及复合材料等领域有光明的应用前景。为了更好的发展石墨烯在光电领域上的应用,除了通过化学修饰和物理吸附手段赋予石墨烯光电响应之外,将石墨烯零维化从而得到一种具有强荧光的碳材料,同样引起了广泛的关注。本论文主要以石墨烯,碳量子点(C dots)等纳米复合材料的设计,合成,修饰及光电性质为主,探讨了以石墨烯和碳点为主体的不同纳米复合材料的制备,并研究其能量存储和光电转化性能。研究工作从功能化石墨烯复合材料及C dots的制备展开,分别制备了自由基促进转化的石墨烯、光敏分子修饰的石墨烯、Cdots/CdS量子点杂化薄膜和光活性分子边缘修饰的C dots复合材料,探索了这些纳米复合材料在发光、能量存储、光电转化及光催化性质上应用。本论文的研究主要包括以下四个部分：1.提出了自由基促进制备化学修饰的还原氧化石墨烯的新方法。利用过氧化苯甲酰加热生成的苯自由基来有效的促进氧化石墨烯的还原,并同时在石墨烯表面修饰了苯官能团,这个过程在不需要任何传统还原剂的条件下实现了苯自由基消除氧化石墨烯表面的含氧官能团。这个工作展示了一种制备还原石墨烯的新方法。而且,苯基所修饰的氧化石墨烯作为锂离子电极材料显示出了非常优异的性能。2.我们制备了钌吡啶分子修饰的光活性石墨烯复合物,并探究了其光催化和超级电容器应用。我们以石墨烯为基底制备了两种石墨烯复合物,分别在其边缘共价修饰钌吡啶有机分子和邻二氮杂菲配体得到G-RuP和G-P,通过紫外、红外、SEM和TEM等表征手段验证RuP分子成功修饰在石墨烯的表面,并且G-RuP在可见光照射下可以有效的发生电子-空穴的分离,我们将该复合材料作为光催化剂并测试了其超级电容器性能。3.合成了N,S共掺杂的C dots,并通过层层组装的方法制备了N,S-Cdots/CdS异质结杂化薄膜,研究了该异质结薄膜的光电转化和光催化应用。通过这个方法得到的薄膜可以形成紧密的接触,有利于电子-空穴的分离和载流子的传输,从而得到2.6 mA/cm2的光电流值,我们将这种杂化薄膜作为高效的光催化剂可用于硝基化合物的还原。还原过程温和快速,还原过程中采用的光源是3W的LED灯,对于能源的节约和环境的保护都很有意义。作为一个新型杂化薄膜,除了在光催化还原上的应用之外,在太阳能电池、气体传感器和光检测器等方面的应用提供了新的设计思路和实验方法。4.我们制备了钌吡啶修饰的N-C dots-RuP,并研究了其光致发光性质。通过紫外、红外、拉曼、AFM和XRD等对其表面结构及光学性质进行了表征和研究,修饰后的C dots在溶解性和紫外吸收峰位上都有了很大的改变,溶解性上N-C dots-RuP从水溶性向油溶性进行转变,在紫外光谱上的吸收范围也延伸到可见光区,并且在紫外光的照射下,发射白光,这为制备白光LED器件提供了新的材料。
【关键词】：石墨烯 化学修饰 C dots 光催化 超级电容器 白光发射
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ127.11;TB33
【目录】：

• 中文摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-57
• 1.1 石墨烯13-44
• 1.1.1 石墨烯的功能化14
• 1.1.2 石墨烯的共价修饰14-28
• 1.1.3 石墨烯的非共价修饰28-31
• 1.1.4 功能化石墨烯的应用31-44
• 1.1.5 石墨烯的展望44
• 1.2 碳量子点44-55
• 1.2.1 结构45-46
• 1.2.2 光学性质46-49
• 1.2.3 电化学性质49
• 1.2.4 体外和体内的毒性49-50
• 1.2.5 合成方法50-52
• 1.2.6 表面修饰52-53
• 1.2.7 应用53-55
• 1.3 本论文的研究意义和选题思路55-57
• 第二章 自由基促进氧化石墨的还原与修饰57-69
• 2.1 引言57-58
• 2.2 实验部分58-60
• 2.2.1 实验试剂和表征手段58-59
• 2.2.2 实验步骤59-60
• 2.3 结果与讨论60-68
• 2.4 本章小结68-69
• 第三章 光活性石墨烯的制备与应用研究69-88
• 3.1 引言69-70
• 3.2 实验部分70-75
• 3.2.1 实验试剂和表征手段70-71
• 3.2.2 合成步歘71-74
• 3.2.3 电化学检测方法74-75
• 3.3 实验结果与讨论75-87
• 3.3.1 XRD 表征75-76
• 3.3.2 光学性质表征76-77
• 3.3.3 XPS 表征77-78
• 3.3.4 G-RuP用作化催化剂78-80
• 3.3.5 G-RuP和G-P的吸脱附曲线和孔隙分布80-82
• 3.3.6 形貌表征82-83
• 3.3.7 超级电容器性能测试83-86
• 3.3.8 交流阻抗测试86
• 3.3.9 G-RuP的光电化学响应和循环伏安测试86-87
• 3.4 本章小结87-88
• 第四章 C dots/CdS异质结的可控制备及其在可见光催化中的应用88-105
• 4.1 引言88-90
• 4.2 实验部分90-92
• 4.2.1 实验试剂和表征手段90
• 4.2.2 实验过程90-92
• 4.3 结果与讨论92-104
• 4.3.1 C dots形貌和XPS表征93
• 4.3.2 GO的形貌和XPS表征93-94
• 4.3.3 光学性质表征94-96
• 4.3.4 Mott-Schottky测试96-97
• 4.3.5 异质结薄膜的AFM形貌表征97-98
• 4.3.6 异质结薄膜的SEM形貌表征98-99
• 4.3.7 异质结薄膜的光学性质表征99-100
• 4.3.8 异质结薄膜的光电化学和交流阻抗检测100-102
• 4.3.9 光催化性能检测102-104
• 4.3.10 光催化剂稳定性测试104
• 4.4 本章小结104-105
• 第五章 白光发射的碳点复合物105-116
• 5.1 引言105-106
• 5.2 实验部分106-108
• 5.2.1 实验试剂和表征手段106
• 5.2.2 N-掺杂碳点的制备方法106-107
• 5.2.3 碳点复合物N-C dots-RuP的合成方法107-108
• 5.3 结果与讨论108-115
• 5.3.1 N-C dots的形貌表征和尺寸分布108-109
• 5.3.2 N-C dots的XPS表征和光学性质表征109-110
• 5.3.3 红外数据表征110-111
• 5.3.4 N-C dots-RuP形貌表征111-112
• 5.3.5 N-C dots-RuP的XRD测试和光学性质表征112-113
• 5.3.6 光学照片113-114
• 5.3.7 荧光发射和CIE色度数据114-115
• 5.4 本章小结115-116
• 第六章 讨论与展望116-118
• 参考文献118-143
• 在学期间的研究成果143
• 致谢143

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本文编号：430039