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《摻氮石墨烯性質(zhì)和應(yīng)用》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、.摻氮石墨烯的性質(zhì)與應(yīng)用1引言石墨烯是一種理想的二維材料，石墨烯中碳原子的sp2雜化結(jié)構(gòu)使石墨烯具有理想的二維結(jié)構(gòu)，它極大的比表面積(2630m2/g)1,高熱傳導(dǎo)性(～5000W/mK)2，良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及較低成本等使它成為復(fù)合材料的理想載體。目前已得到不同形態(tài)的石墨烯，包括二維結(jié)構(gòu)的石墨納米片(GNSs)3-5、一維結(jié)構(gòu)的納米條帶(GNRs)、零維結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)(GQDs)6,7，GNRs和GNDs的性質(zhì)可以通過它們的大小和邊緣進(jìn)行調(diào)節(jié)。然而，由于石墨烯沒有能帶間隙8，使得其電導(dǎo)性不能像傳統(tǒng)的半導(dǎo)體一樣完全被控制，而且石墨烯表面光滑
2、且呈惰性，不利于與其他材料的復(fù)合，從而阻礙了石墨烯的應(yīng)用。對石墨烯進(jìn)行功能化——合成石墨烯衍生物、表面官能團(tuán)化、化學(xué)修飾、化學(xué)摻雜等,可以實(shí)現(xiàn)石墨烯及其相關(guān)材料更為廣泛的應(yīng)用9,10。其中,化學(xué)摻雜能夠有效地調(diào)節(jié)其電子結(jié)構(gòu),改善其物理化學(xué)性質(zhì),從而優(yōu)化了石墨稀多方面的性能,具有廣闊的應(yīng)用前景。由于N原子具有與C原子近似的原子半徑,可以作為電子供體以取代的方式對石墨烯進(jìn)行摻雜,且生成的N摻雜石墨稀表現(xiàn)出諸多優(yōu)良的性能,如打開能帶隙并調(diào)整導(dǎo)電類型，改變石墨烯的電子結(jié)構(gòu)11，提高石墨烯的自由載流子密度12，從而提高石墨烯的導(dǎo)電性能和穩(wěn)定性，增加
3、石墨烯表面吸附金屬粒子的活性位等。在場效應(yīng)晶體管、傳感器、超級電容器、裡離子電池、燃料電池等領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。因此,對石墨烯進(jìn)行N摻雜這項(xiàng)課題,吸引著大批的科研工作者來探索。通常有兩種化學(xué)方法合成非金屬摻雜石墨烯13-15，一種是取代摻雜，即令sp2構(gòu)型的C被其它雜原子，如N、B、Si等取代。另一種是在石墨烯表面吸附氣體16，有機(jī)分子17或金屬分子18實(shí)現(xiàn)功能化。N摻雜石墨烯有四種形態(tài)：吡啶N,吡咯N,石墨N和氧化吡啶N。吡啶N（N1）和吡咯(N2)在邊緣或缺陷處，它們并不增加離域π鍵的電子數(shù)。石墨N（N3和N4）代替了石墨烯結(jié)構(gòu)中
4、的C，因此增加了離域π鍵的電子數(shù)。吡啶N也可以以氧化吡啶N的形式存在（N5）。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這些摻雜N原子的存在增強(qiáng)了碳材料的堿性因而提高了ORR活性。...2石墨烯的摻氮方法2.1直接合成法2.1.1化學(xué)氣相沉積（CVD）法CVD法在合成碳納米材料中應(yīng)用十分廣泛，比如石墨烯的合成19、碳納米管的合成20、碳納米纖維的合成21、摻N碳納米管22和石墨烯的合成等，它的基本思路是把金屬催化劑，如Cu或Ni作為基質(zhì)，利用氣態(tài)先驅(qū)反應(yīng)物，即含碳和含氮?dú)怏w在高溫下混合，通過在金屬催化劑表面某些成分分解而在基體上形成N摻雜石墨烯。不同溫度下得到的摻氮量
5、不同，Yu等23將三嗪作為C源和氮源，以Cu作為催化劑合成摻氮石墨烯，XPS顯示在900、800、700.。C下N的含量分別為2.1%,4.4%,5.6%。表明隨溫度的降低，N的含量升高24。G峰不對稱性升高，即D‘峰作用顯著，摻氮石墨烯結(jié)構(gòu)趨于無序25。除了溫度外，在CVD方法中，含氮量還可以通過氣體流速以及碳源和氮源的比例來控制，實(shí)驗(yàn)表明如果碳源和氮源比例升高，含氮量會相對應(yīng)地下降26，并且，盡管已有報道過高含氮量(～16at.%)，這種方法一般含氮量為4?9at.%。Yu等實(shí)驗(yàn)顯示溫度降低，摻氮石墨烯的各類型N結(jié)構(gòu)趨于無序。除了溫度
6、外，催化劑以及碳源的差別也會影響N的鍵型27。例如，當(dāng)用Cu做催化劑，CH4/NH3(1:1)時，得到的N的鍵型是主要是石墨N28，但是以Ni為催化劑，CH4/NH3(5:1)時，得到的N的鍵型主要是吡啶N和吡咯N29。2.1.2隔離生長法在這種方法中30，含有氮的硼層和含有碳的鎳層通過電子束蒸發(fā)在SiO2/Si基質(zhì)上分解，在真空退火過程中，C原子從Ni層表面分離并與N原子結(jié)合。通過控制B，Ni薄膜的厚度調(diào)節(jié)N摻雜石墨烯的含氮量（0.3-2.9at.%）。盡管會觀察到零散的多層結(jié)構(gòu)，但是整體上的摻氮石墨烯是大面積的單層結(jié)構(gòu)，并且吡啶和吡咯
7、N為主要的N的鍵型。值得一提的是，這種方法可以通過基質(zhì)的特定區(qū)域選擇性地嵌入N。2.1.3溶劑熱法在碳源和氮源共存的溶液中，通過熱處理得到摻氮石墨烯的方法31-35。Deng等48采用CCl4和Li3N在低于350.C的條件下水浴直接合成摻氮石墨烯。此方法優(yōu)勢在于反應(yīng)條件溫和操作簡單，而且NG的產(chǎn)量僅與反應(yīng)釜的容量有關(guān)采用該方法石墨烯的摻氮量可達(dá)到16at%，制備的NG可以直接應(yīng)用于無金屬參與的氧活化催化反應(yīng)。此方法可得到克級摻氮石墨烯。2.1.4電弧放電法電弧放電法是指在氫氣和氮源氛圍中，碳電極之間進(jìn)行電弧放電法生成NG的方法。Rao等
8、56,57在吡啶和NH3蒸汽下用這種方法成功合成了NG，但是此方法獲得復(fù)合物的含氮量較低（大約為0.5-1.5at.%）,并且合成的石墨烯多數(shù)為2-3層結(jié)構(gòu)。...2.2后合成處理法2.2.1
