磷掺杂石墨烯的制备及氧还原催化性能
第十七次全国电化学大会
1磷掺杂石墨烯的制备及氧还原催化性能
李容1,2
，魏子栋1,*
，苟兴龙2,*
(1.重庆大学化学化工学院，重庆，400044，E-mail:zdwei@cqu.edu.cn;
2.西华师范大学化学化工学院，四川，南充，637000，E-mail:gouxlr@126.com)
燃料电池是一种高效新型能源转换装置，具有能量密度高、能量转换效率大、零排放、环境友
好等优点。但是，燃料电池的阴极氧还原反应（ORR）的过电位大、动力学性能差，需要大量昂贵
的铂基催化剂。而且，这类催化剂不抗甲醇氧化和一氧化碳中毒，稳定性差，限制了燃料电池的规
模化生产和应用。因此，研发成本低、活性高、稳定性好的非贵金属和非金属氧还原催化剂是当前
燃料电池技术发展与应用的关键[1]
。
杂原子（如氮、磷、硼、硫、碘等）掺杂的碳纳米材料比表面积大、活性高，可望替代铂基催
化剂，成为燃料电池氧还原催化剂的研究热点[2,3]
。石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构碳材
料，其导电性、比表面积等远远优于普通碳材料[4]
。但是，鲜见报道磷掺杂石墨烯的制备及氧还原
催化性能。我们通过热解氧化石墨和1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体混合物制备了磷掺杂石
墨烯（P-TRG）[5]
。该合成方法简单、环境友好、易于控制。所得P-TRG催化剂保持了石墨烯纳米
片的形貌（图1a），比表面积大（496.67m2
/g）、磷含量高（1.16at.%）、ORR催化活性高，起峰电位
和还原电流与商品铂碳相当（图1b），而且在抗甲醇和一氧化碳中毒、稳定性方面显著优于商品铂
碳催化剂。
图1P-TRG的TEM（a）和ORR线性伏安图（b）
Fig.1TEMimage(a)andLSVcurves(b)oftheP-TRGsample.
本研究为973计划（2012CB215500,2012CB720300）和国家自然科学基金（21176327,51071131,
20936008）资助项目。
参考文献：
[1]Cheng.F,Chen.J.Chem.Soc.Rev.,2012,41,2172.
[2]Li.Y,Zhou.W,Wang.H,Xie.L,Liang.Y,Wei.F,Dai.H.J.Nat.Nanotechnol.,2012,7,394.
[3]Shao.L.Chen.J,Bao.W,Wang.F,Xia.X.ACSNano,2011,5,4350.
[4]Sun.Y,Wu.Q,Shi.G.EnergyEnviron.Sci.,2011,4,1113.
[5]Li.R,Wei.Z.D,Gou.X.L,Xu.W.RSCAdvances2013,3,9978.
SynthesisandElectrocatalyticPerformanceofPhosphorus-Phosphorus-dd
opedGraphenefor
ApplicationinOxygenReductionReaction
RongLi,1,2
ZidongWei,1,
*XinglongGou2,
*
(1CollegeofChemistryandChemicalEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,E-mail:
zdwei@cqu.edu.cn
2CollegeofChemistryandChemicalEngineering,ChinaWestNormalUniversity,Nanchong637000,E-mail:
gouxlr@126.com)
mxene 氧化还原石墨烯 插层
一、概述
近年来，随着纳米材料领域的不断发展和研究，二维材料成为了研究人员热衷的研究对象。其中，氧化还原石墨烯（MXene）作为一种具有潜在应用前景的材料备受关注。本文旨在系统地介绍MXene的结构特点、制备方法、性质及其应用前景等方面的研究进展，以期为该领域的研究和应用提供参考。
二、MXene的结构特点
MXene是一种二维层状材料，其结构特点可以简要概括为以下几点：
1. MXene的基本结构由M（过渡金属元素）、X（碳和氮等元素）和F（氟等元素）组成，其中M为过渡金属元素，X为C和/或N元素，F为氟元素。
2. MXene的结构具有多层片状结构，具有大量的表面官能团，具有很高的表面积和活性位点。
3. MXene的层间距离较大，有利于插层化学反应和离子交换，从而使其具有优良的离子和分子吸附和储存性能。
三、MXene的制备方法
在MXene的制备方法方面，目前主要有以下几种常见的方式：
1. 较为常见的是氟化物法，利用氢氟酸或氧氟化氢等氟化物作为刻蚀剂，在高温下将氟化MXene与其它金属或合金反应，从而得到MXene。
2. 氨解法是另一种制备MXene的常见方法，通过氢氧化钠或其他碱性物质，利用氨水等溶剂进行氨解反应，并通过水洗、酸洗等处理得到MXene。
3. 还有一些新型的制备方法如高温水解法、电化学剥离法等，这些方法在制备MXene时具有一定的优势和可行性。
四、MXene的性质
MXene作为一种重要的纳米材料，具有一系列独特的物理化学性质，主要包括：
1. 电学性质：MXene具有良好的电导率和电储能性能，在超级电容器、锂离子电池等器件中具有重要的应用价值。
2. 光学性质：MXene在光学性质方面表现出较好的性能，其宽带光吸收、较高的光热转换效率等特点，使其在光催化、光热材料等领域有着广阔的应用前景。
3. 机械性能：MXene具有优越的机械性能，其高韧性、高强度等机械性能，使其在复合材料、增强材料等领域具有潜在的应用前景。
非金属orr催化剂 n掺杂催化剂石墨化程度
非金属orr催化剂 n掺杂催化剂石墨化程度
非金属催化剂是近年来在催化领域中得到广泛研究和应用的一种新型催化剂。与传统的金属催化剂相比，非金属催化剂具有更高的催化活性、较低的成本以及更好的抗氧化性能等优点。
非金属催化剂通常由一种或多种非金属元素组成，如碳、氧、氮、硫等。其中，碳基催化剂如石墨烯、碳纳米管和碳黑等，是非常常见的非金属催化剂。石墨烯是一种由碳原子组成的单层二维材料，具有巨大的比表面积和优良的导电性，被广泛应用于电化学催化、光催化等领域。碳纳米管也是由碳原子构成的一维材料，具有独特的结构和性质，被用作氢气催化剂、氧气催化剂以及有机合成催化剂等。而碳黑是一种颗粒状的碳材料，具有较高的比表面积和丰富的官能团，被广泛用作吸附材料、电化学催化剂等。
此外，非金属催化剂还可以通过掺杂一些非金属元素来提高其催化性能。常用的掺杂元素包括氮、硫、磷、硒等。例如，氮掺杂石墨烯具有更高的电化学活性，可用于氧还原反应和氢氧化钾催化反应等；硫掺杂碳纳米管则可用于催化氨气氧化等反应。
非金属催化剂的石墨化程度是指其结构中碳原子的排列形式以及碳之间的化学键形式。较高的石墨化程度意味着更长的连续碳链和更完整的共价键，进而增加了非金属催化剂的导电性和催化活性。为了提高石墨化程度，可以通过调整催化剂的制备方法、控制碳原子的分离程度以及进一步石墨化处理等手段来实现。
石墨相氮化碳的研究进展
石墨相氮化碳的研究进展
李伦;宋金玲;王宝英;段成林
【摘 要】氮化碳近年来在光催化领域备受关注,具有特殊的电子光学结构以及优异的化学稳定性能,且禁带宽度非常有利于可见光的吸收,在利用太阳能降解有机污染物方面具有很大的前景.由于它本身比表面积小,产生的光生电子和空穴易复合,抑制了催化剂的光催化活性.在此本文系统的介绍了氮化碳的结构,性能和催化机理,综合了近年来的改性手段,包括改善制备工艺,以及对其进行纳米化,掺杂,官能化,复合等方法,提高比表面积和改善能带结构,并对其以后的发展进行了展望.
【期刊名称】《内蒙古科技大学学报》
【年(卷),期】2017(036)004
【总页数】6页(P377-382)
【关键词】光催化剂;光生电子和空穴;能带结构
【作 者】李伦;宋金玲;王宝英;段成林
【作者单位】内蒙古科技大学 材料与冶金学院,内蒙古 包头 014010;内蒙古科技大学 材料与冶金学院,内蒙古 包头 014010;内蒙古科技大学 材料与冶金学院,内蒙古
包头 014010;内蒙古科技大学 材料与冶金学院,内蒙古 包头 014010
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ426
近年来，环境污染，资源短缺已经愈发成为困扰人类的主要问题.怎样降解污染，使资源能够循环使用，是人类面临的巨大挑战.对于我们赖以生存的家园，太阳能是我们自古以来，取之不尽用之不竭的清洁能源，如何把用不尽的太阳能转化为我们所需的能量，去创造更多的有益价值，这就是我们所探索的问题.于是，人们发现了光催化剂.简单来说，就是在光的照射下，光催化剂捕获电子，能够更加有效的、高速的催化反应的进行，把有机大分子污染物质迅速分解为无污染的小分子[1，2]，以实现污染物的降解.随着光催化剂研究的发展，光催化剂也有了日新月异的更新换代，从最开始研究的二氧化钛[3]到如今的氮化碳[4～7]，催化剂一直在向廉价、稳定、高性能、环保等方向进行.而今，氮化碳以其稳定的化学性质和热力学性能，引起了广泛关注.
石墨烯包覆磷酸铁锂正极材料的合成及性能研究
第４６卷第６期 １４ ２０１３年１２月 江苏陶瓷 Ｊｉａｎｇｓｕ Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｖｏ１．４６，Ｎｏ．６ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２０１３
石墨烯包覆磷酸铁锂正极材料的合成及性能研究
汪贝贝雍自俊田哲周竹发 （苏州大学材料与化学化工学部，江苏苏州２１５１２３） 摘 要 通过溶胶凝胶法合成了石墨烯包覆的橄榄石型ＩｊＦｅＰ０ ／石墨烯正极复合材料。实验采用 在磷酸铁锂前驱体制备过程中加入石墨烯．经高温煅烧后实现了石墨烯与磷酸铁锂的均匀包覆。研 究了石墨烯对正极材料的结构和电化学性能的影响。研究结果表明，ＬｉＦｅＰＯ ／石墨烯复合材料的颗 粒尺寸比纯ＬｉＦｅＰＯ 明显减小，石墨烯包覆后的ＬｉＦｅＰＯ 材料的电荷转移电阻显著降低，在０．１ Ｃ 电流密度下的首次充放电比容量达到１４３．６ ｍＡｈ／ｇ．循环性能也得到较大提高。 关键词 溶胶凝胶法；ＬｉＦｅＰ０４；石墨烯包覆
０引言
随着化石燃料的大量消耗和环境的严重污染，洁净环保 的新能源开发和利用变得越来越迫切。锂离子电池被视为最 有效的电化学储能系统之一，具有高比能量、高比功率以及环 境友好等特点。１９９７年Ｇｏｏｄｅｎｏｕｇｈ等提出ＬＩＭＰ０４（Ｍ＝Ｃｏ、 Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ）可以作为锂离子电池的正极材料，其中橄榄石 型结构的磷酸铁锂（ＬｉＦｅＰＯ４）由于原料来源广泛、价格便宜、 环境友好、理论比容量高、工作电压高、热稳定性好、循环性能 优良等突出优点，成为最有前途的正极材料之一，从而逐渐受 到广泛关注。但是，ＬｉＦｅＰＯ 自身较差的锂离子扩散能力和较 低的电子导电性一直制约其广泛的应用。目前，对于提高其导 电性的研究主要是通过导电剂包覆改善ＬｉＦｅＰ０ 颗粒间的导 电性，在一定程度上提高了材料的电化学性能，另外还有碳包 覆、掺杂金属离子和粒度纳米化等方法来实现这一目的。 近年来发现的石墨烯片层中碳原子为ｓｐ。杂化，它比无序 的８ｐ 杂化的碳质材料表现出更好的导电性。它具有较高的比 表面积，可以为导体足够的空间。现已有石墨烯包覆磷酸铁锂 材料的研究，相于其他的碳材料，二维（２Ｄ１片层结构的石墨烯 可以比较容易实现对电极材料的包覆。形成性能良好的导电 层。最近，以ＬｉＦｅＰＯ 和氧化石墨烯为原料采用喷雾干燥和退 火过程制备了ＬｉＦｅＰ０４／石墨复合材料，但是，磷酸铁锂颗粒只 能松散地嵌在石墨烯片层上，它只可能在电化学性能方面产 生一个有限的提高。 本实验运用改进的Ｈｕｍｍｅ￣化学氧化法制得氧化石墨 烯，用硼氢化钠将氧化石墨烯还原制得石墨烯。再通过将石墨 烯加入用溶胶凝胶法合成的磷酸铁锂前驱体中，完成石墨烯 对磷酸铁锂颗粒的均匀包覆。 １实验
二维黑磷的制备、表面功能化与光电催化
二维黑磷的制备尧表面功能化与光电催化
杨环环1袁2袁喻彬璐1袁王佳宏1袁2袁喻学锋1袁2渊1.深圳二维原子晶体制备技术工程研究中心袁中国科学院深圳先进技术研究院袁广东深圳518055曰2.中国科学院大学冤摘要院黑磷作为一种新型的单元素直接带隙半导体袁因其独特的二维结构展现出诸多优异特性袁在光电尧生物尧传感尧信息等领域具有很大的应用潜力遥近年来袁针对黑磷的制备和应用袁发展出许多新方法和新技术袁例如院通过液相超声/剪切尧高能球磨尧电化学剥离和等离子体辅助剥离等技术实现了二维黑磷的高效制备曰发展了系列物理尧化学方法对二维黑磷进行表面修饰袁抑制其与水尧氧接触袁提高了二维黑磷的稳定性并提升了光电等物理性能曰借助构建异质结构尧掺杂等方式改变黑磷表面电子态密度尧增加活性位点袁提高了二维黑磷材料的催化活性遥从二维黑磷的制备尧表面功能化与光电催化三方面出发袁综述目前的研究现状和未来可能的发展方向遥关键词院黑磷曰二维材料曰剥离曰表面功能化曰光电催化中图分类号院TQ126.31文献标识码院A文章编号院1006-4990渊2021冤05-0013-08Preparation袁surfacefunctionalizationandphotoelectrocatalysisoftwo鄄dimensionalblackphosphorusYangHuanhuan1袁2袁YuBinlu1袁WangJiahong1袁2袁YuXuefeng1袁2渊1.ShenzhenEngineeringCenterfortheFabricationofTwo鄄dimensionalAtomicCrystals袁ShenzhenInstitutesofAdvancedTechnology袁ChineseAcademyofSciences袁Shenzhen518055袁China曰2.UniversityofChineseAcademyofSciences冤Abstract院Asanewtypeofsingleelementdirect鄄bandgapsemiconductor袁blackphosphorusshowsmanyexcellentcharacter鄄isticsduetoitsuniquetwo鄄dimensionalstructure袁whichhasgreatpotentialinthefieldsofphotoelectronics袁biology袁sensing袁informationandsoon.Inrecentyears袁manynewmethodsandtechnologieshavebeendevelopedforthepreparationandapplicationofblackphosphorus袁suchasliquid鄄phaseultrasonic/shear袁high鄄energyballmilling袁electrochemicalstrippingandplasmaassistedstrippingtoachieveefficientprepa鄄rationoftwo鄄dimensionalblackphosphorus.Aseriesofphysicalandchemicalmethodshavebeendevelopedtomodifythesurfaceoftwo鄄dimensionalblackphosphorustoinhibititscontactwithwaterandoxygenandimprovethestabilityandphysicalproperties渊suchasphotoelectronics冤oftwo鄄dimensionalblackpho鄄sphorus.Withthehelpofheterostructureconstruction袁dopingandotherwaystochangethesurfaceelectronicdensityofstatesandincreasetheactivesitesofblackphosphorus袁thecatalyticactivityoftwo鄄dimensionalblackphosphorusmaterialshasbeenimproved.Basingonpreparation袁surfacefunctionalizationandphotocatalysisoftwo鄄dimensionalblackphosphorus袁thecurrentresearchstatusandpossiblefuturedevelopmentdirectionweresummarized.Keywords院blackphosphorus曰two鄄dimensionalmaterials曰exfoliation曰surfacefunctionalization曰photoelectrocatalysis黑磷作为一种新兴的单元素直接带隙半导体材料袁具有与石墨烯类似的二维结构袁自2014年被成功剥离以来袁引起了世界范围内科学家的广泛关注咱1-2暂遥黑磷中每个磷原子与相邻的3个磷原子共价相连袁形成褶皱的蜂窝状结构袁层与层之间通过范德华力堆叠咱3暂遥独特的结构赋予了黑磷良好的光电转换特性咱4暂袁明显的各向异性咱4暂尧较高的载流子迁移率咱1暂以及随层数可调的带隙宽度咱5暂袁使其在光电咱6暂尧热电咱7暂尧光热咱8暂尧储能咱9暂尧催化咱9暂尧柔性电子器件咱10暂等领域都展现出巨大的潜力遥自1914年Bridgeman通过
石墨烯
引言
石墨烯是单层碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶体结构的一种炭质材料,碳原子排列与石墨的单原子层一样。石墨烯是碳原子以 sp2杂化连接的单原子层构成的, 其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环, 这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335nm，仅为头发的二十万分之一，是目前所发现的最薄的二维材料，是构建其他维数炭质材料 （如零维富勒烯，一维纳米碳管、 三维石墨） 的基本单元， 具有极好的结晶性及电学质量和优异的电学、力学性能和结晶性。2004 年, Manchester 大学的 Geim 小组首次用机械剥离法获得了单层或薄层的新型石墨烯.
石墨烯是一种没有能隙的半导体，具有比硅高 100 倍的载流子迁移率 (2 × 10 5cm 2／v),在室温下具有微米级自由程和大的相干长度，因此石墨烯是纳米电路的理想材料，石墨烯还具有良好的导热性 [3000W ／ (m · K)] 、高强度 (110GPa) 和超大的比表面积(2630mZ ／g) 。 这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件 、 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 。
一、 石墨烯的合成
目前制备石墨烯的主要方法有: 化学气相沉积法, 微机械剥离法以及液相条件下的有机分子分散法, 溶剂热法和氧化还原法等.
化学气相沉积法是以能量激化气体反应先驱物发生化学反应 在基底表面形成石墨烯薄膜的一种薄膜成长方法. Keun 等,Kim 等通过 CH4 分解， 还原 CO等反应生成气态碳原子, 产物沉积在基底表面 ，生成二维石墨烯薄膜 ，然而现阶段工艺不成熟及较高的成本限制了其规模应用 。微机械剥离法是采用离子束对物质表面刻蚀， 并通过机械力对物质表面进行剥离制备石墨烯 .Geim 等用微机械剥离法从高定向热解石墨上剥离得到单层石墨烯 ，
但由于工艺复杂 制备的石墨烯产率低 不能够满足工业化需求。 在一定程度上限制了规模化生产。 有机分子分散法是将石墨在有机溶剂中超声分散得到石墨烯的一种方法。
【CN110085881A】一种铁化合物填充氮磷共掺杂碳纳米管复合材料的制备方法及其应用【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910272447.7(22)申请日 2019.04.04(71)申请人 温州大学地址 325000 浙江省温州市瓯海区东方南路38号温州市国家大学科技园孵化器(72)发明人 王舜 金辉乐 崔翠霞 张晶晶 李俊 谢维宁 (74)专利代理机构 温州名创知识产权代理有限公司 33258代理人 陈加利(51)Int.Cl.H01M 4/96(2006.01)H01M 8/1011(2016.01)B82Y 30/00(2011.01) (54)发明名称一种铁化合物填充氮磷共掺杂碳纳米管复合材料的制备方法及其应用(57)摘要本发明公开了一种铁化合物填充氮磷共掺杂碳纳米管复合材料的制备方法及其应用，以鸡蛋黄为碳源，与过渡金属盐铁氰化钾经过氨气直接煅烧，合成了铁化合物填充氮磷共掺杂的碳纳米管复合材料，该材料可作为氧还原电催化剂，制备该复合材料的原料为生物质鸡蛋黄，环境友好、易得、合成成本低。制得的复合材料具有良好电化学性能，与20％商业Pt/C相比，具有更好的抗甲醇中毒性，稳定性好。在电化学领域中具有
良好的应用前景和工业化潜力。
权利要求书1页 说明书7页 附图7页CN 110085881 A2019.08.02
CN 110085881
A1.一种铁化合物填充氮磷共掺杂碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将新鲜鸡蛋打碎，分离鸡蛋黄与鸡蛋清，将鸡蛋黄、铁氰化钾和去离子水依次加入于容器中混合均匀后超声30min，超声结束再搅拌至溶解，置于烘箱中于100℃-120℃下烘干，得到粗产品；(2)取上述粗品置于管式炉中，氨气气氛下煅烧1.5-3小时，冷却至室温，得到铁化合物填充氮磷共掺杂碳纳米管复合材料。2.根据权利要求1所述的一种铁化合物填充氮磷共掺杂碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中鸡蛋黄与铁氰化钾的质量比为：1:5～0。3.根据权利要求1所述的一种铁化合物填充氮磷共掺杂碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中煅烧温度为900℃-1100℃，升温速率为5℃/min。4.根据权利要求1所述的一种铁化合物填充氮磷共掺杂碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中煅烧温度为1000℃，煅烧2小时。5.通过权利要求1-4任意一项所述制备方法制得的铁化合物填充氮磷共掺杂碳纳米管复合材料。6.权利要求5所述的铁化合物填充氮磷共掺杂碳纳米管复合材料在制备燃料电池中的用途。7.一种质子交换膜燃料电池阴极的制作方法，所述方法包括如下步骤：S1：使用氧化铝粉末对直径为5mm的玻碳电极进行抛光打磨，打磨3～5min后，用高纯水冲掉电极表面的污物，再依次用无水乙醇、高纯水超声洗涤，一分钟后，用氩气吹干，得到预处理的玻碳电极；S2：于0.5mL离心管中，加入权利要求5所述的铁化合物填充氮磷共掺杂碳纳米管复合材料、体积比为4:1的去离子水无水乙醇混合溶液、5％Nafion溶液，将离心管置于超声机中超声30min，得到含有复合材料的混合溶液，将该混合溶液滴至步骤S1预处理的玻碳电极表面，将电极置于空气中晾干，得到质子交换膜燃料电池阴极。8.根据权利要求7所述的一种质子交换膜燃料电池阴极的制作方法，其特征在于，所述电极上铁化合物填充氮磷共掺杂碳纳米管复合材料的负载量为0.3mg cm-3～1.2mg cm-3。9.
氮掺杂石墨烯制备及其应用研究进展
Hans Journal of Nanotechnology 纳米技术, 2019, 9(1), 17-31
Published Online February 2019 in Hans. /journal/nat https:///10.12677/nat.2019.91003
文章引用: 康婉文, 全海燕, 黄永浩, 罗品, 梁耀恒, 钟碧琪, 李政, 朱武青, 莫昌泳, 吴基平, 廖宏杰, 王晓文, 陈东
初, 张敏, 户华文. 氮掺杂石墨烯制备及其应用研究进展[J]. 纳米技术, 2019, 9(1): 17-31.
DOI: 10.12677/nat.2019.91003
Recent Advances in the Synthesis and
Applications of Nitrogen-Doped Graphene
Wanwen Kang1*, Haiyan Quan1*, Yonghao Huang1, Pin Luo1, Yaoheng Liang1, Biqi Zhong1,
Zheng Li1, Wuqing Zhu1, Changyong Mo1, Jiping Wu1, Hongjie Liao1, Xiaowen Wang1,
Dongchu Chen1, Min Zhang1, Huawen Hu1,2#
1College of Materials Science and Energy Engineering, Foshan University, Foshan Guangdong
2Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou
Guangdong
Received: Feb. 1st, 2019; accepted: Feb. 15th, 2019; published: Feb. 22nd, 2019
氮掺杂石墨烯的制备及氧还原电催化性能
Ｖｏ１．３４ ２０１３年４月 高等学校化学学报 ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＨＩＮＥＳＥ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＩＥＳ ＮＯ．４ ８００～８０５
ｄｏｉ：１０．７５０３／ｃｊｃｕ２０１２０６５８
氮掺杂石墨烯的制备及氧还原电催化性能
李静，王贤保，杨 佳，杨旭宇，万 丽 （湖北大学材料科学与工程学院，教育部功能材料的绿色制备与应用重点实验室，武汉４３００６２）
摘要采用两步热解法，用尿素掺杂氧化石墨烯（ＧＯ）得到Ｎ掺杂的还原氧化石墨烯（Ｎ—ＲＧＯ），通过控制反 应温度，制备了具有不同电催化活性的Ｎ掺杂的还原氧化石墨烯．透射电子显微镜（ＴＥＭ）和扫描电子显微 镜（ＳＥＭ）结果显示，制得的氮掺杂石墨烯（ｎＧ）表面褶皱和重叠增加．ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ）证明，氮元 素以吡啶Ｎ、吡咯Ｎ和石墨化的Ｎ ３种形式掺杂在石墨烯中，最高摩尔分数为６．６％．通过循环伏安（ｃＶ）和 旋转圆盘电极（ＲＤＥ）测试了ｎＧ的电化学性能，结果表明，在酸性电解质中对氧还原（ＯＲＲ）有较高的催化活 性，起始电位在０．１ Ｖ左右，电催化还原氧气时主要为四电子反应，且相对商用的Ｐｔ／Ｃ催化剂有更好的电 化学稳定性，其中第一步热解温度为２００℃制得的ｎＧ催化性能最好． 关键词Ｎ掺杂石墨烯；尿素；热解；氧还原反应；电催化剂 中图分类号Ｏ６１３；０６４６ 文献标志码Ａ
石墨烯是碳原子以ｓｐ 杂化呈蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体¨ｊ，其表现出优异的电学、光学、 热和机械性能［２ ］．通过化学 ’ 或者物理方法 将石墨烯进行修饰或改性可以改善石墨烯的性质， 拓宽石墨烯的应用领域 一 ．其中，化学掺杂是调整和研究石墨烯性质的一种非常重要且有效的途
径 ．石墨烯中掺杂其它化学元素可以调整其电子学性能和拓宽能隙，其中硼（Ｂ）和氮（Ｎ）是研究 最多的碳材料的掺杂元素，分别为Ｐ型和ｎ型掺杂 ”Ｊ．Ｙｕ等 研究了Ｂ和Ｎ在石墨烯中掺杂位置
对其电子特性的影响，Ｐａｎｃｈａｋａｒｌａ等 则采用不同方法合成了Ｂ和Ｎ掺杂的石墨烯．掺杂的Ｎ原子 会影响ｃ原子的自旋密度和电荷分布，导致石墨烯表面产生“活性位点” ｊ．这些活性位点可以直接
石墨烯的制备及电化学性能研究
- I - 目 录
摘 要 ............................................................................................................................ I
Abstract ......................................................................................................................... II
1 引 言 ........................................................................................................................ 1
1.1 石墨烯的制备 .................................................................................................. 2
1.1.1 机械剥离法 ............................................................................................ 2
1.1.2 电化学剥离法 ........................................................................................ 2
1.1.3 化学气相沉积法 .................................................................................... 3