石墨烯材料的化學(xué)調(diào)控及其應(yīng)用研究.pdf

1、1．制備了利用化學(xué)還原條件來調(diào)控結(jié)構(gòu)的系列石墨烯材料，并用超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)測(cè)試了石墨烯材料的低溫(2 K)以及室溫(300 K)的磁滯回線圖，發(fā)現(xiàn)特定條件下制備的石墨烯材料具有室溫鐵磁性質(zhì)，其中材料Graphene-600，室溫(300 K)下飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度為Ms=0.020 emu/g，矯頑力為Hc=40 Oe，低溫(2K)測(cè)試的飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度為Ms=0.9 emu/g，矯頑力為Hc=596 Oe。采用原子吸收光譜測(cè)試其中鐵磁

2、性雜質(zhì)（Fe等）的含量，排除了金屬鐵磁性雜質(zhì)引起的石墨烯室溫鐵磁性的可能性，確定了碳材料本身由于未配對(duì)電子的存在產(chǎn)生了室溫鐵磁性。提出了不同的還原條件調(diào)節(jié)了缺陷的濃度來控制磁性大小的機(jī)理，并用低溫的電子順磁共振(ESR)技術(shù)檢測(cè)出了兩種不同的碳磁性自旋中心，石墨烯單層層間的未配對(duì)電子(自旋密度為1×1017 spins/g)和石墨烯邊緣的未配對(duì)電子(7×1013 spins/g)，自旋密度足夠產(chǎn)生石墨烯材料的室溫鐵磁性。
　　

3、2．用化學(xué)法合成了硼原子、氮原子以及磷原子摻雜的無支撐的石墨烯紙，X射線光電子能譜數(shù)據(jù)顯示硼和氮原子取代部分碳原子進(jìn)入石墨烯紙的晶格中，磷原子摻雜在石墨烯紙中。通過拉曼光譜的研究，發(fā)現(xiàn)摻雜影響了石墨烯材料的D峰與G峰的強(qiáng)度?；魻栃?yīng)的數(shù)據(jù)顯示：硼原子摻雜的石墨烯紙表現(xiàn)為p-型半導(dǎo)體的性質(zhì)，證明了空穴載流子的注入；氮原子摻雜的石墨烯紙表現(xiàn)為n-型半導(dǎo)體的性質(zhì)，證明了電子載流子的注入?；瘜W(xué)摻雜的方法成功的將空穴和電子注入在石墨烯材料的二維結(jié)

4、構(gòu)內(nèi)，調(diào)控了石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，并據(jù)此可以調(diào)控石墨烯材料的磁阻效應(yīng)，將石墨烯材料的負(fù)磁阻效應(yīng)成功調(diào)控為正磁阻效應(yīng)，為石墨烯材料在納米科學(xué)領(lǐng)域拓展了應(yīng)用。
　　 3．從研究石墨烯材料的聚集狀態(tài)出發(fā)，采用了不同的還原條件來調(diào)控石墨烯材料的家集狀態(tài)以及比表面積，并且將各種經(jīng)過不同化學(xué)還原條件調(diào)控的石墨烯材料組裝成超級(jí)電容器，研究它們的電化學(xué)性能。第一，利用氣一固還原的水合肼蒸汽的還原方法，可以部分控制石墨烯聚集的程度，電化學(xué)性能也達(dá)到了

5、卓越的效果，其放電比電容可達(dá)205 F/g，能量密度為7.1Wh/kg，功率密度約為10 kW/kg，進(jìn)行1200次恒電流充放電循環(huán)后，質(zhì)量比電容仍然保持90％以上，證明石墨烯材料是一種性能優(yōu)良的超級(jí)電容器的電極材料。第二，利用水熱還原的方法創(chuàng)造的高壓環(huán)境，使在溶液中得到的經(jīng)過液相還原的石墨烯材料仍然可以保持較高的比表面積，其中水熱還原溫度為180℃，還原時(shí)間為12 h的反應(yīng)產(chǎn)物GO-HT-12h的放電比電容為221F/g，能量密度為7

6、.7 Wh/kg，進(jìn)行1000次恒電流充放電循環(huán)后，質(zhì)量比電容仍然保持90%以上，證明了水熱還原條件下制備的石墨烯電極材料作為超級(jí)電容器的電極材料具有很大的優(yōu)勢(shì)，并且還原條件無毒，是一個(gè)綠色還原途徑。水熱還原180℃，還原時(shí)間為18 h的反應(yīng)產(chǎn)物GO-HT-18h可以得到一個(gè)與反應(yīng)溶液分離的凝膠，為石墨烯材料與其他的碳材料和過渡金屬氧化物材料的復(fù)合開辟了一條路徑。
　　 4．報(bào)道我們利用多壁碳納米管的直徑優(yōu)勢(shì)將復(fù)合的石墨烯材料的

7、層間距打開，控制石墨烯材料的比表面積。將多壁碳納米管與氧化石墨烯材料的溶液復(fù)合，設(shè)計(jì)了一種水熱合成凝膠的方法，利用氧化石墨烯在水熱的過程中形成凝膠從而與水溶液兩相分離的原理，將多壁碳納米管與石墨烯復(fù)合物轉(zhuǎn)變?yōu)槟z從反應(yīng)溶液中提取出來，得到了均勻分散的復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)研究了不同比例的石墨烯與多壁碳納米管的復(fù)合材料，并把它們作為電極材料，組裝了超級(jí)電容器，進(jìn)行了恒電流充放電測(cè)試，其中當(dāng)氧化石墨烯材料與多壁碳納米管的質(zhì)量比例為1：1的時(shí)候，石墨