石墨烯及其金属复合物的合成与应用

论文摘要

石墨烯独特的电子结构使其具有优异的性质，如高的电子迁移率、大的比表面积、良好的透光性、高的杨氏模量和优异的热学性质。自从用机械剥离法从石墨中分离出石墨烯以来，很多方法被应用于合成石墨烯，例如化学气相沉积法、化学氧化还原法、有机合成法等。目前，如何可控合成高质量、大规模、低成本石墨烯依旧是限制石墨烯应用的重要因素。本论文进一步发展了化学氧化还原和化学气相沉积两种方法来合成石墨烯。首先，我们研究了Hummer法合成出的氧化石墨烯的氧化量，发现通过控制氧化剂的加入量，可以得到不同氧含量的氧化石墨烯。FTIR和Raman研究表明，含氧量的增加会使氧化石墨烯中sp3碳的杂化比例增大。通过测量不同含氧量氧化石墨烯的电势发现，氧化石墨烯的含氧量越高则电势越低。另外，氧化石墨烯之间的静电斥力也是影响氧化石墨烯在水溶液中分散的重要影响因素。目前，很多还原剂被应用于还原氧化石墨烯，例如水合肼及其衍生物。但是，这些还原剂毒性极大且容易挥发，限制了它们的使用。第三章介绍了一种在室温下用金属纳米颗粒来催化硼氢化钠水解从而来还原氧化石墨烯的简便方法。分别用原子力显微镜和透射电镜研究了石墨烯的形貌和结构。通过紫外-吸收光谱、X射线光电子能谱、拉曼光谱和X射线衍射研究了氧化石墨烯的还原过程。该方法避免使用水合肼及其衍生物作为还原剂，具有环保安全的优点。同时该方法在温和的条件（室温）下进行，得到的石墨烯缺陷较少，并且该方法可以放大使用，作为催化剂的金属盐可以被重复利用。石墨烯@金属纳米颗粒复合物具有特殊的结构和优异的性质，可以应用到催化、电极、传感器等领域中。金属纳米颗粒的尺寸和形貌会直接影响到石墨烯@金属纳米颗粒复合物在实际应用中的使用。第四章介绍了一种通过自催化在室温下合成石墨烯@金属纳米颗粒复合物的简便方法。首先，将需求尺寸和形貌的金属纳米颗粒负载到氧化石墨烯上，然后通过金属纳米颗粒作为催化剂来加速硼氢化钠水解去还原氧化石墨烯，通过得到石墨烯@金属纳米颗粒复合物。相比已有的方法，该方法避免使用水合肼及其衍生物等剧毒还原剂，环保安全，且该方法可以在室温下和不同酸碱度下高效进行。同时该方法可以用来大规模的合成石墨烯@金属纳米颗粒及石墨烯@金属氧化物纳米颗粒复合物，从而满足其实际应用。例如，石墨烯@Au纳米颗粒复合物在催化和太阳能电池方面展现出良好的应用。在绝缘体上生长出高质量、大面积石墨烯是微电子行业的迫切需求，第五章中介绍了一种利用多环芳烃（例如ADN、HAT-CN和NPB）或氧化石墨烯作为碳源，金属Cu作为催化剂无需转移直接将石墨烯生长到绝缘材料上的新方法。分别探讨了碳源、生长温度、H2含量及催化剂和碳源厚度对生长石墨烯的影响。目前的研究结果表明，HAT-CN可以在相对较低的温度下生长出石墨烯。用5nm的碳源可以生长出单层的石墨烯，随着碳源厚度的增加，石墨烯的质量下降。同时，该方法可以用来合成合成氮掺杂和不同图案的石墨烯。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 石墨烯的结构与性质
• 1.1.1 电学性质
• 1.1.2 光学性质
• 1.1.3 石墨烯的力学性质
• 1.1.4 石墨烯的热学性质
• 1.2 石墨烯的合成
• 1.2.1 自上而下合成
• 1.2.2 自下而上合成
• 1.3 石墨烯@金属纳米颗粒复合材料的合成
• 1.3.1 石墨烯@Au
• 1.3.2 石墨烯@Ag
• 1.3.3 石墨烯@Pt
• 1.4 石墨烯的应用
• 1.4.1 透明电极
• 1.4.2 传感器
• 1.4.3 催化
• 1.4.4 场效应晶体管
• 1.5 本课题的立题依据和主要研究内容
• 1.5.1 选题的目的和意义
• 1.5.2 研究内容
• 1.6 参考文献
• 第二章 氧化石墨烯的合成及含氧量控制
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 合成不同含氧量的 GO
• 2.2.3 实验仪器
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 石墨和 GO 的形貌
• 2.3.2 不同氧含量 GO 的结构
• 2.4 结论
• 2.5 参考文献
• 第三章 室温下高效还原氧化石墨烯
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 还原 GO
• 3.2.3 实验仪器
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.4 结论
• 3.5 参考文献
• 第四章 自催化合成石墨烯@金属纳米颗粒复合物及催化应用
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 合成 GO 水溶液
• 4.2.3 合成 3（± 0.5）nm 的 AuNPs
• 4.2.4 合成 9 nm 和 25 nm 的 AuNPs
• 4.2.5 合成 GO@AuNPs 和 r-GO@AuNPs
• 4.2.6 还原亚甲基蓝
• 4.2.7 实验仪器
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.4 结论
• 4.5 参考文献
• 第五章 介电材料上直接生长氮掺杂石墨烯
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 实验仪器
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 碳源的选择
• 5.3.2 温度对石墨烯合成的影响
• 2的影响'>5.3.3 H₂的影响
• 5.3.4 Cu 厚度的影响
• 5.3.5 PAHs 厚度的影响
• 5.3.6 图案化石墨烯
• 5.3.7 N 掺杂石墨烯
• 5.3.8 透明电极
• 5.4 结论
• 5.5 参考文献
• 第六章 全文结论
• 攻读博士学位期间的科研成果
• 致谢