热解法制备石墨烯及其机理和性能研究

论文摘要

石墨烯作为碳材料中最年轻的一员,早已引起大家的广泛关注。特别是在2010年,Geim因为首次从石墨中剥离出严格意义上的石墨烯而获得诺贝尔化学奖这一殊荣,更是将对其的研究热潮推向顶峰。石墨烯是已知世界上最薄的材料,且在力学、热学、电学、光学等方面都具有优异的性能,但是传统的制备方法并不能大量合成石墨烯,这也阻碍了其在工业中的应用。本文通过研究发现了一种新型的合成方法一热解法,可以大量制备出品质优良的石墨烯,考察了反应条件（温度、配比等）对所得产物的收率、形态和结构的影响,并对所得样品进行透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、傅立叶红外光谱（FIIR）和拉曼光谱测试。同时将其作为锂离子电池负极材料的进行了电化学性能测试。研究表明,此方法可以通过热解二茂铁和1,2,4-三氯苯混合物直接高收率合成石墨烯,其碳源转化率为42%,在0.5 L釜内一次可以合成8g左右。其特点是产量大,远大于传统方法所得；片层大（～10 um）而完整,层数少（3～5层）；结晶性能较好、缺陷位少。此外,本文通过改变温度和原料配比,探索出产物石墨烯产量及形貌的变化规律：（1）随着反应温度的升高,产物纯度以及结晶度提高,缺陷位减少；（2）随着炭化处理温度的升高,石墨烯片层结晶度提高,层间距先增大后减小,在700℃时最大,产物更倾向于单层石墨烯；（3）寻找出最优配比为1：1；当减少1,2,4-三氯苯的含量时,产物产量随着碳源的减少而下降,且产物形貌变化较明显,表明氯元素的含量影响了产物的形貌；当减少二茂铁的含量时,产物产量下降幅度更明显,但产物形貌无明显变化,表明催化剂的含量对产物的产量影响更大；（4）由空白样和对比样发现,氯元素是影响产物形貌的关键性因素。因此本文最后通过改变含氯碳源,分别得出碳纳米管、碳纳米带以及空心纳米球等纳米材料,并根据材料形貌随碳氯原子比的变化推测出石墨烯的合成机理以及氯元素所起的作用。经电化学性能测试得出：该产物在50 mA·g-1电流密度下,首次放电容量为611 mAh·g-1;随着炭化温度的升高循环性能先提高后降低,700℃时达到最优,30次后可逆循环容量为413 mAh·g-1。可逆容量的变化主要是因为结晶度的提高以及层间距的变化影响了锂离子的嵌脱能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 石墨烯
• 1.2.1 石墨烯的结构
• 1.2.2 石墨烯的特性
• 1.3 石墨烯制备
• 1.3.1 机械剥离法
• 1.3.2 氧化石墨-还原法
• 1.3.3 外延生长法
• 1.3.4 化学气相沉积法
• 1.3.5 其他方法
• 1.4 石墨烯的应用
• 1.4.1 电极材料
• 1.4.2 纳米复合材料
• 1.4.3 药物及催化剂载体
• 1.4.4 太阳能电池
• 1.4.5 吸附材料
• 1.5 碳纳米管向石墨烯的转化
• 1.6 本课题的选题依据和主要研究内容
• 1.6.1 论文选题的目的及意义
• 1.6.2 本课题的主要研究内容
• 第二章 实验测试及方法
• 2.1 实验试剂及设备
• 2.1.1 实验原料及试剂
• 2.1.2 实验设备和仪器
• 2.1.3 组装电池所需材料
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 石墨烯的制备
• 2.2.2 石墨烯的后处理
• 2.2.3 不同配比对生成石墨烯的影响
• 2.2.4 含氯碳源对纳米碳材料生成的影响
• 2.3 测试及表征方法
• 2.3.1 扫描电子显微镜（SEM）及能谱（EDX）
• 2.3.2 透射电子显微镜（TEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）
• 2.3.3 X射线衍射测试（XRD）
• 2.3.4 傅里叶变换红外光谱分析（FT-IR）
• 2.3.5 热重--差示扫描（TG-DSC）同步热分析
• 2.3.6 原子力显微镜（AFM）
• 2.3.7 拉曼光谱测试（Raman spectra）
• 2.4 电化学性能测试与分析
• 2.4.1 电极的制备及模拟电池的组装
• 2.4.2 恒流充放电性能测试
• 2.4.3 循环伏安
• 2.4.4 交流阻抗测试
• 第三章 结果和讨论
• 3.1 石墨烯的制备及表征
• 3.1.1 石墨烯的电镜测试分析
• 3.1.2 石墨烯的XRD分析
• 3.1.4 石墨烯的Raman分析
• 3.1.5 石墨烯的AFM分析
• 3.1.6 石墨烯的电化学测试
• 3.2 影响反应产物的因素
• 3.2.1 温度对反应产物的影响
• 3.2.2 原料配比对反应产物的影响
• 3.2.3 本节小结
• 3.3 含氯碳源对产物的影响
• 3.3.1 石墨片层上碳纳米管原位生长
• 3.3.2 碳纳米带的合成
• 3.3.3 碳纳米空心球的原位合成
• 3.3.4 本节小结
• 第四章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者及导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书