氮掺杂石墨烯的制备及其电化学性能研究

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掺氮石墨烯的性质和应用

掺氮石墨烯的性质与应用1引言石墨烯是一种理想的二维材料，石墨烯中碳原子的sp2杂化结构使石墨烯具有理想的二维结构，它极大的比表面积(2630 m2/g)1,高热传导性(∼5000 W/mK)2，良好的化学稳定性以及较低成本等使它成为复合材料的理想载体。

目前已得到不同形态的石墨烯，包括二维结构的石墨纳米片(GNSs)3-5、一维结构的纳米条带(GNRs)、零维结构的量子点(GQDs)6,7，GNRs和GNDs的性质可以通过它们的大小和边缘进行调节。

然而，由于石墨烯没有能带间隙8，使得其电导性不能像传统的半导体一样完全被控制，而且石墨烯表面光滑且呈惰性，不利于与其他材料的复合，从而阻碍了石墨烯的应用。

对石墨烯进行功能化——合成石墨烯衍生物、表面官能团化、化学修饰、化学掺杂等,可以实现石墨烯及其相关材料更为广泛的应用9,10。

其中,化学掺杂能够有效地调节其电子结构,改善其物理化学性质,从而优化了石墨稀多方面的性能,具有广阔的应用前景。

由于N原子具有与C原子近似的原子半径,可以作为电子供体以取代的方式对石墨烯进行掺杂,且生成的N掺杂石墨稀表现出诸多优良的性能,如打开能带隙并调整导电类型，改变石墨烯的电子结构11，提高石墨烯的自由载流子密度12，从而提高石墨烯的导电性能和稳定性，增加石墨烯表面吸附金属粒子的活性位等。

在场效应晶体管、传感器、超级电容器、裡离子电池、燃料电池等领域的应用前景十分广阔。

因此,对石墨烯进行N掺杂这项课题,吸引着大批的科研工作者来探索。

通常有两种化学方法合成非金属掺杂石墨烯13-15，一种是取代掺杂，即令sp2构型的C被其它杂原子，如N、B、Si等取代。

另一种是在石墨烯表面吸附气体16，有机分子17或金属分子18实现功能化。

N掺杂石墨烯有四种形态：吡啶 N, 吡咯 N, 石墨 N 和氧化吡啶 N。

吡啶N（N1）和吡咯(N2)在边缘或缺陷处，它们并不增加离域π键的电子数。

石墨N（N3和N4）代替了石墨烯结构中的C，因此增加了离域π键的电子数。

氮掺杂石墨烯的制备及其在锂硫电池中的应用注意事项

氮掺杂石墨烯的制备及其在锂硫电池中的应用注意事项
制备氮掺杂石墨烯的注意事项：
1. 原料选择：选择质量良好的石墨烯作为原料进行掺杂，确保石墨烯的纯度和质量。

2. 氮源选择：选择合适的氮源进行掺杂，常用的氮源有氨气、氮气、氧化亚氮等，不同的氮源会对掺杂效果产生影响。

3. 温度控制：控制石墨烯的掺杂温度，通常需要高温进行，但过高的温度可能导致石墨烯结构破坏。

4. 掺杂时间：控制石墨烯的掺杂时间，过长或过短的时间都可能影响掺杂效果，需要根据具体实验情况进行调整。

5. 掺杂过程中的气氛：掺杂过程中需要保持一定的气氛，以保证掺杂反应的进行，避免杂质的进入。

氮掺杂石墨烯在锂硫电池中的应用注意事项：
1. 正确定位：确定氮掺杂石墨烯在锂硫电池中的应用位置，例如作为正极、负极、电解液添加剂或导电剂等。

2. 粒径控制：控制氮掺杂石墨烯的粒径，以适应锂硫电池的电极结构和工艺要求。

3. 电池中其他材料的兼容性：研究氮掺杂石墨烯与电池中其他材料的兼容性，避免产生副反应或材料堆积问题。

4. 循环性能：评估氮掺杂石墨烯对锂硫电池循环性能的影响，包括容量衰减、循环寿命等指标。

5. 安全性评估：评估氮掺杂石墨烯在锂硫电池中的安全性问题，例如热稳定性、热失控等。

氮掺杂石墨烯作为锂离子电池负极材料的电化学性能

ＢｉｎｎｖｒｉＣｅｃｌｅｈｏｏｙＢｏｎ００９ＣｉａｅｉＵｉｓｙｏｈｍｉｃｎｌ，ｅ＇ｇ１０２，ｈ）ｊｇｅｔｆａＴｇｉｎＡｓａｔｒｈｎｈｅＧｓａｅｂｅｒａｄｆｍｎｔａｆｋｒｈｔｂｘｄｔｎｒｉｅｐｎｉｎｂｔｃ：ＧａｅｅｓｅｔＳ）ｈｖｅｎｐｅｒｏａｒａｅｇａｉｙｏｉｉ，ａｄｘａｓｎａｄｒｐｓ（ｐｅｒｕｌｌｐｅａｏｐｏ
（北京化工大学碳纤维及功能高分子教育部重点实验室，北京１０２）００９
摘要：以天然石墨为原料，通过氧化、快速热膨胀和超声分散制备石墨烯。将氧化石墨与三聚氰胺在氮气下９０℃ ５
反应合成氮掺杂石墨烯。通过扫描电子显微镜（Ｅ、ＳＭ）透射电子显微镜（Ｅ、ＴＭ）Ｘ射线衍射（Ｒ）ＸＤ以及红外光谱（ＴＲ、ＦＩ）Ｘ射线能谱（Ｉ）））等测试方法对氮掺杂石墨烯的形貌、结构进行分析。结果表明，该方法合成了薄层状氮掺杂石墨烯。（ｓ采用恒流充放电和循环伏安法等手段测试氮掺杂石墨烯、石墨烯和天然石墨作为锂离子电池负极材料的电化学性能，
比较研究了三者用作锂离子电池负极材料的电化学性能，结果表明氮掺杂石墨烯负极材料具有优异的电化学能和独特
的储锂机制。
关键词：氮掺杂石墨烯；石墨烯；锂离子电池；负极材料；电化学性能
中图分类号：Ｏ１．１６３７；０６６４文献标志码：Ａ文章编号：２９ —２８（０２０ —０１ —５０５７３２１）６４３
ｕｔｓｎｃｒａｍｅｔＧａｈｎｘｄＧＯ）ｓｔｅｎａｅｔｈｒｓｎｅｏｍｅｍｉｅａ９０℃ ａｄｔｎｆｒｄｉｔｌａｏｉｅｔｎ．ｒｐｅｅｏｉｅ（ｒｔｗａ￣ｒｒｎｅｌｄａｔｅｅｅｃｆｌｎｔ５ｈａｐａｎａｓｅｅｏｒｒｎ

氮掺杂石墨烯的制备及其电学性质研究

氮掺杂石墨烯的制备及其电学性质研究一、引言在当今材料科学领域，石墨烯因其优异的电学性能和透明性表现出了极大的应用潜力。

而石墨烯的氮掺杂，不仅可以改善石墨烯的导电性能，还可以改变其化学性质和表面形态。

因此，氮掺杂石墨烯成为了热门研究领域。

本文将重点介绍氮掺杂石墨烯的制备方法以及其电学性质的研究。

二、制备方法氮掺杂石墨烯的制备方法有很多种，其中常用的有化学气相沉积法、熔融氢硼化物法和热还原法等。

这里，我们着眼于热还原法的制备方法。

热还原法是一种简单易行的方法，它的原理是在高温还原氮掺杂的石墨烯。

在实验室中，首先需要通过化学气相沉积法或机械剥离法制备出单层石墨烯。

接着，在石墨烯表面制备氮化合物，如氨气或氢气和氮气混合气体等。

将样品放在半封闭炉中加热，一般温度在800℃左右，石墨烯表面上的氮化合物将会还原为掺杂石墨烯。

这种方法制备出的氮掺杂石墨烯具有较好的导电性能，同时还具有优异的化学稳定性和电化学性能。

三、电学性质研究氮掺杂石墨烯的电学性质是掺杂的重要部分之一。

通过一系列的实验，发现氮掺杂石墨烯具有较高的电导率和较低的电阻率。

同时，氮掺杂还可以增加石墨烯的顺磁性和局域磁性，从而拓宽了其应用领域。

此外，在储能器件和传感器等方面也具有很好的应用潜力。

比如在电化学传感器中，氮掺杂石墨烯可以实现对多种气体的高灵敏度检测。

在氮掺杂石墨烯的电学性质研究中，还需要关注其在磁场中的表现。

通过实验证明，在磁场作用下，氮掺杂石墨烯的导电性能会发生变化，其电阻率随磁场的增加呈现先增加后减小的趋势。

这种现象是由于氮原子导致分散相变化和自旋极化引起的。

因此，研究氮掺杂石墨烯在外磁场作用下的电学性质，具有重要的理论研究和应用价值。

四、总结本文简要介绍了氮掺杂石墨烯的制备方法和电学性质的研究。

氮掺杂石墨烯因其优异的电学性能和透明性具有广泛的应用前景。

虽然目前还存在一些问题，例如氮掺杂量的控制等问题，但是氮掺杂石墨烯作为一种新型材料，将在未来的研究和应用中显示出更广阔的发展前景。

氮掺杂石墨烯的制备及氧还原电催化性能

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
参与催化反应，如氧还原（ＯＲＲ）和固定金属纳米粒子反应．此外，Ｎ原子掺杂在单层石墨烯中，其费米能级移动到狄拉克点之上ｌ１，费米能级附近的态密度被抑制，进而打开导带和价带之间的禁
带，使其可以应用在半导体器件中，Ｗａｎｇ等制备出了可在室温条件下运行的ｎ型石墨烯场效应晶体管（ＦＥＴ）．不仅如此，Ｎ掺杂石墨烯还可以应用在电池、传感器和超级电容器中．目前，氮掺杂石墨烯（ｎＧ）的合成方法主要有直流电弧法。。，化学气相沉积（ＣＶＤ），溶剂热或水热反应Ｌ３ｊ，在氨气氛围中热处理还原氧化石墨烯（ＲＧＯ）［３３，３４￣，以及热固相反应等．直流电弧法需要特殊的仪器设备和严密的条件控制；ＣＶＤ制备ｎＧ中Ｎ的前驱体一般是有毒的ＮＨ或吡啶．相
文选用低成本的工业原料尿素作为Ｎ源，直接与ＧＯ热解制得ｎＧ，对其结构和性能进行了测试和表征，并探讨了其对氧还原的电催化性能．
收稿日期：２０１２－０７．１２．

石墨烯的制备及电化学性能研究

目录摘要 (I)Abstract ......................................................................................................................... I I 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)1.2 石墨烯电极材料的制备 (5)1.3 石墨烯电极材料电化学性能测试 (5)2 实验部分 (6)2.1 实验试剂 (6)2.2 实验仪器 (6)2.3 RHAC和GQDs的制备 (6)2.4 RHAC-GQDs的制备 (6)2.5 电极制备和电池组装 (7)3 结果和讨论 (8)3.1 分析了RHAC的比表面积和孔隙结构 (8)3.2 GQDs的拉曼光谱和荧光光谱分析 (8)3.3 红外光谱分析 (8)3.4 XRD分析 (8)3.5 扫描电镜分析 (9)3.6 循环伏安法测试分析 (9)3.7 恒流充放电试验分析 (9)3.8 电化学阻抗分析 (10)4 结论与展望 (12)4.1 结论 (12)4.2 主要创新点 (12)4.3 展望 (12)参考文献 (13)致谢............................................................................................ 错误!未定义书签。

摘要石墨烯由于其十分优异的电学、热学和机械性能及优良的透光率、比表面积大等优势而广泛的受到人们追捧。

尤其是在2004年成功制得稳定存在的石墨烯之后，更是兴起了一股研究石墨烯的潮流。

如何成本低廉、面积大、数量丰富、质量优异的制备石墨烯，并将其应用在实际生产中是研究人员努力的目标。

本文主要对这几年中一些改善的或新的石墨烯的制备方法以及其电化学性能做了综述，从中可以看到石墨烯在电学方面存在巨大的发展潜力。

掺氮石墨烯的制备及其ORR催化性能的研究

掺氮石墨烯的制备及其ORR催化性能的研究李鹏飞;王升高;孔垂雄;杜祖荣;邓泉荣;王戈明【摘要】Some outstanding properties of nitrogen-doped graphene has attracted much attention.The most synthesis methods of nitrogen-doped graphene need high temperature and long time which wiil destroy the structure of graphene and weaken the performance. In this article,we propose nitrogen plasma discharge method for synthesis of N-doped graphene sheets by simultaneous N-doping and reduction of graphene oxide(GO)sheets. Meantime,various characterization tech-niques,such as Raman,TEM are introduced. Electrical measurements demonstrate that products have higher catalytic per-formance for Oxygen Reduction Reaction in an alkaline solution.%由于掺氮石墨烯具有优异的电化学性能，受到研究者的关注，然而在石墨烯掺氮的方法中大部分（热解法、烧结法）需要过高的温度（500~900℃）和较长的反应时间（2~3 h）[1-3]。

采用微波等离子体对氧化石墨进行还原改性制备掺氮石墨烯，在低功率条件下反应时间只需20 min就得到了催化活性良好的掺氮石墨烯。

高电化学性能三维网状氮掺杂石墨烯的制备

高电化学性能三维网状氮掺杂石墨烯的制备钟文斌;谭兮亦【摘要】3D nitrogen‐doped graphene (NRG) was prepared in the hydrothermal method with graphene oxide (GO) as the raw material and melamine as the nitrogenous source and reducing agent .Scanning electron microscopy , X‐ray photoelectron spectroscopy ,Raman spectroscopy ,nitrogen adsorption‐desorption analysis and electrochemical measurements were used to characterize the morphology ,structure ,components and supercapacitor performance of as‐prepared electrode materials .The results showed that GO could be reduced efficiently by melamine and realized N‐do‐ping at the sametime .The 3D structure was built due to the strong interaction between graphene sheets .Its content of nitrogen atoms was 4 .37% .The electrochemical performance was measured through electrochemical tests .When the mass ratio of GO and melamine was 1∶2 (NRG‐2) ,the highest specific capacitance of 296 F/g can be achieved at the current density of 1 A/g ,which was higher than the capacitance of other mass ratios of GO and melamine .88 .5%of the capacitance of NRG‐2 remained after 1000 cycles ,which meant that NRG‐2 had a long life cycle .%以氧化石墨烯（GO）为原料，三聚氰胺为还原剂和氮掺杂剂，经过水热法制备出了氮掺杂石墨烯（NRG）三维网络．通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱（Raman）、氮气吸脱附分析和电化学表征等测试手段对样品的形貌、结构和电化学性能进行表征．结果表明：三聚氰胺在水热的条件下有效地将GO还原并实现氮掺杂，三聚氰胺将氧化石墨烯还原之后，使得石墨烯之间的相互作用力增强，从而使石墨烯搭建出三维网络结构，其氮含量可达4．37％．电化学测试表明，当GO与三聚氰胺质量比为1∶2（NRG‐2）时，在1A／g时其最大比电容值达到了296F／g，这个比电容值高于其他不同GO与三聚氰胺质量比所制备出的氮掺杂石墨烯的比电容值．NRG‐2还显示出优良的循环寿命，经过1000次恒电流充放电循环后比电容保留量为88．5％．【期刊名称】《湖南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(043)006【总页数】5页(P53-57)【关键词】石墨烯;三聚氰胺;氮掺杂;水热法;超级电容器【作者】钟文斌;谭兮亦【作者单位】湖南大学材料科学与工程学院，湖南长沙 410082;湖南大学材料科学与工程学院，湖南长沙 410082【正文语种】中文【中图分类】TB34;O613.71超级电容器(supercapacitors)也叫电化学电容器(electrochemical capacitors EC)，相对于传统电容器具有更高的比能量，相对于二次电池具有更高的比功率，以及更长的循环寿命，它的循环寿命大于105次[1].因而，超级电容器能够储存更多能量以提供给电力消耗设备和汽车，是一种绿色环保，性能优秀的新型储能器[1-2].石墨烯是由碳原子以 sp2杂化连接组成的一层二维平面，碳原子位于石墨烯网络中的蜂巢晶体点阵上.因而，石墨烯是世界上最薄的二维材料, 它的厚度只有0.35 nm[3].由于这种特殊的结构使其具有许多独特性质，比如大的比表面积，优异的电学性能和高的载流子迁移率，同时也是制备超级电容器电极的理想材料[4-5].然而结构完整的石墨烯化学性质十分稳定，表面没有任何基团，呈现出惰性状态，使得石墨烯在许多方面的研究和应用受到了极大的限制.现阶段，解决这个问题的主要途径是对石墨烯进行改性，比如化学修饰、共价键功能化改性、化学掺杂等[6-8].而由于氮原子与碳原子具有相似的原子半径，氮原子掺杂后可作为电子供体，能使氮掺杂石墨烯显示出相对于单纯石墨烯更多的优异性能，因此，对于氮原子掺杂石墨烯有广泛的研究[8].目前，制备氮掺杂石墨烯的主要方法有化学气相沉积法[9]、电弧放电法[10]、氨气等离子法[11]等.Xue[12]等人曾以吡啶为氮源，在300 ℃的温度下，通过化学气相沉积法制备出了含氮量高达16.7%的单层氮掺杂的n型石墨烯.Sheng[13]等人曾将三聚氰胺与氧化石墨烯在固相的状态下研磨均匀后，在Ar气氛保护下高温焙烧制备出氮掺杂石墨烯.此外，氨气[5]、乙腈[14]、尿素[15-16]等含氮化合物均是制备氮掺杂石墨烯的常用氮源.由于三聚氰胺含氮量高，价格低廉，是作为制备氮掺杂石墨烯的理想氮源[13].本文先将三聚氰胺溶解于乙醇和去离子水的混合溶剂中，再与氧化石墨烯分散液配成混合溶液，经水热反应后制备出了氮掺杂石墨烯，并对其进行了结构和电化学性能分析.1.1 氧化石墨烯(GO)制备称取10 g石墨，5 g NaNO3于三颈瓶中，搅拌，在冰水浴下加入230 mL 98%浓硫酸，搅拌10 min，向三颈瓶中加入30 g KMnO4，5 min加完，搅拌2 h，将三颈瓶置于35 ℃水浴锅中，保持搅拌3 h，用恒压漏斗向三颈瓶加入460 mL去离子水，升温至95 ℃，搅拌1 h，加入720 mL去离子水，搅拌10 min，用恒压漏斗加入80 mL 30% 双氧水，用砂型漏斗抽滤，将滤饼溶于1 000 mL 5mol/L 盐酸中，再抽滤除去锰离子，重复用1 000 mL 5 mol/L 盐酸洗3次.再将滤饼溶于2 000 mL去离子水中，静置1 d，倒掉上层清液，再加入去离子水，重复换水10次左右直至氧化石墨液的pH值大于4，将氧化石墨超声，离心，最后得氧化石墨烯分散液.1.2 氮掺杂石墨烯的制备分别将20 mg，40 mg，80 mg三聚氰胺溶解于10 mL乙醇和5.7 mL去离子水中，加入4.3 mL 4.7 mg/mL的氧化石墨烯，配成三聚氰胺:氧化石墨烯质量比分别为1∶1，2∶1，4∶1的溶液，用高压反应釜反应，反应温度180 ℃，反应时间8 h，再用稀盐酸洗涤所得固体，用去离子水洗去稀盐酸，冷冻干燥后得到所需样品.所得样品名称分别为NRG-1,NRG-2和NRG-4.不加入三聚氰胺，保持其他实验条件相同，则可制得空白样RG.1.3 电极制作方法样品研细后经100目不锈网筛过筛.将样品，碳黑，聚四氟乙烯乳液(50%)按质量比8∶1∶2配制成泥浆状.称量空电极的质量M0，涂电极，再用10 MPa压片2 min，90 ℃烘箱烘干，称电极质量M，则样品电极质量m=0.8(M-M0).制备好的电极在1 mol/L 稀硫酸电解液中浸泡12 h以上，再测电化学.1.4 材料表征与性能测试扫描电子显微镜(SEM, 日本Hitachi公司的S-4800)，X光电子能谱分析(XPS，美国Thermo Scientific公司的250Xi)，激光拉曼光谱仪(Raman，美国Varian公司的LR-3)用于材料的形貌、元素组成、结构表征.对于材料的电化学性能测试是采用上海辰华仪器公司的CHI 660C型电化学工作站.所用测试体系为三电极体系，其中，铂片电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，电解液为1 mol/L稀硫酸.测试窗口电压为-0.2～0.8 V.利用恒电流充放电测试计算比电容，所用公式为：C=It/(ΔVm)交流阻抗测试所用的频率范围为0.01～105Hz.在循环寿命测试中用恒电流充放电循环测试1 000次，测试电流密度为10 A/g.从低倍的SEM图(图1(a))中可看出NRG-2中石墨烯在三聚氰胺的作用下相互交联，形成了三维网络结构.在高倍的SEM图(图1(b))中可明显看出石墨烯片无规则排列，片与片的边界相互交联，最终形成网络.三聚氰胺与氧化石墨烯通过水热反应，使氧化石墨烯被还原.由于氧化石墨烯上的含氧基团部分被去除，增强了石墨烯片层之间的π-π相互作用力，最终形成三维网络结构[17].正是这种网络的存在，有利于离子的扩散，减小了扩散电阻，从而改善了电化学性能.经XPS分析，NRG-2的氮含量为4.37%.如图2(a)所示，将其N 1s峰进行分峰，可得3个不同氮类型的氮峰，分别为吡啶型氮(398.5 eV)，吡咯型氮(399.6 eV)和石墨型氮(400.1 eV)[18].通过3种氮峰的峰面积计算可知，吡啶型氮，吡咯型氮和石墨型氮占总氮掺杂量的百分比分别为29.21%，55.68%和15.11%.对于氮掺杂石墨烯电极材料而言，其赝电容主要来源于吡啶型氮和吡咯型氮，石墨型氮则主要是提高电极材料的导电性[19]，而NRG-2中的氮元素绝大部分是以前两种类型的氮掺杂于石墨烯片中.因此，通过氮掺杂，NRG-2的比电容能够得到较大程度的提高.在拉曼谱图(图2(b))中，NRG-2主要存在两个波带，分别为D带(1 324 cm-1)和G带(1 582 cm-1).D带表示的是石墨区域上的结构缺陷，G带代表结构完整的碳结构.ID/IG可表示材料的无序化程度，ID/IG比值越大表明石墨区域上的缺陷越多[17].计算得出NRG-2和RG的ID/IG比值分别为1.35和1.21，NRG-2的ID/IG 比值增大可认为氮原子掺杂于石墨烯中引起晶格畸变，从而产生更多缺陷[1].通过对NRG-2进行氮气吸脱附测试可反映材料的孔结构.NRG-2的比表面积为22.9 m2/g，孔径主要集中在2～50 nm，孔类型为介孔.NRG-2,NRG-1,NRG-4和RG在扫描速率为1 mV/s时的循环伏安(CV)图如图3所示.从图中看出，RG的循环伏安图形近似为矩形，说明RG的比电容主要由双电层电容提供.而NRG-2的循环伏安图在0.2 V左右存在明显的氧化还原峰，这是由于吡啶型氮和吡咯型氮在电化学测试中发生了氧化还原反应，从而产生了赝电容[1,19].循环伏安图的积分面积可以反映材料的比电容大小，从图3中看出NRG-2的积分面积最大，RG的最小，NRG-1和NRG-4的介于中间，即NRG-2比电容最大，RG比电容最小.该现象表明，样品的比电容大小与三聚氰胺是否加入，以及加入量有关.对于RG，由于没有三聚氰胺加入，没有氮掺杂，使得它的比电容最小；当三聚氰胺的量过少时，氮掺杂量少，限制了比电容的提高；而当三聚氰胺的量过多时，影响了石墨烯的网络结构，从而没有有效提高比电容值.图4(a)为NRG-2,NRG-1,NRG-4和RG在1A/g的电流密度下的恒电流充放电(GCD)图.由图可看出，RG的充放电曲线是直线，显示出双电层电容特性.而NRG-2,NRG-1和NRG-4的充放电曲线则是带有一点弯曲的弧线，说明由于氮元素的存在使得它们在充放电测试过程中存在氧化还原过程[19].NRG-2,NRG-1,NRG-4和RG在不同电流密度下的恒电流充放电比电容比较图如图4(b)所示.在电流密度为1 A/g时NRG-2的比电容可达296 F/g，在电流密度提高至10 A/g时，其比电容仍有246 F/g.而RG在1 A/g时的比电容值仅为163 F/g.在电流密度为1 A/g时，NRG-2的比电容值与RG的相比提高了81.6%，又根据循环伏安测试结果，可认为掺入石墨烯中的氮元素所产生的赝电容使NRG-2的电容值提高了81.6%，NRG-1和NRG-4的比电容值介于中间，与循环伏安测试结果相一致.通过比电容值对比，说明了NRG-2具有较高的比电容和倍率性能，这主要归功于两方面：一方面是氮掺杂提供了赝电容，提高了NRG-2的比电容值；另一方面是NRG-2的三维网络结构有利于离子扩散，减少了材料电阻，提高了NRG-2的倍率性能.由交流阻抗测试所得的Nyquist曲线(图5(a))可以很清楚地了解样品的电子转移特点和离子扩散情况.在曲线的低频区，NRG-2和RG的图像呈近似直线，说明它们的电容行为是较为理想的双电层电容行为[19].Warburg电阻表示电解质与电极之间的界面电阻，用沿着低频区的切线与X轴的夹角表示，角度越小说明其电阻越小[19].由图可看出NRG-2的Warburg电阻小于RG的，这是由于氮原子掺杂使得NRG-2的亲水性增强，降低了界面电阻.曲线高频区半圆弧的直径可代表电极材料的电荷转移电阻[1].NRG-2和RG的电荷转移电阻分别为1.3 Ω和2.4 Ω.NRG-2的电荷转移电阻较小可能是由于一部分氮原子以石墨型氮的形式掺杂于石墨烯中，而这种类型的氮能提高导电性[17]，使得NRG-2的电荷转移电阻减小.在10 A/g电流密度下，NRG-2和RG经过1 000次循环之后，比电容保留量分别为88.5%和84.5%(见图5),说明NRG-2有良好的充放电结构稳定性，从而具有优秀的循环寿命.本文将三聚氰胺与氧化石墨烯经过180 ℃水热反应成功制备出了具有三维网络结构的氮掺杂石墨烯.经XPS分析，NRG-2有4.37%的含氮量，且氮的类型主要是吡咯氮和吡啶氮.通过电化学测试表明NRG-2具有高的电化学性能，在1 A/g时，比电容可达296 F/g，并且具有优秀的循环稳定性，在1 000次循环后比电容保留量仍有88.5%.。

氮掺杂石墨烯的制备及应用-

图１氮掺杂石墨烯 CVD 法制备过程 Fig １ Preparation process of nitrogen-doped graphene
by CVD ２．２溶剂热法
溶剂热法制备氮掺杂石墨烯主要是将氧化石墨烯和含氮溶剂置于反应釜中进行水热,然后再进行高温处理得到氮掺杂石墨烯.相对于 CVD 法,溶剂热法的一个显著优势在于能得到高产量的氮掺杂石墨烯[２９], 在４０ mL 的反应釜中,可以制备出１．２ g 的氮掺杂石墨烯.这种方法虽然可以获得氮掺杂率较高的产物, 但是氮原子和掺杂率的可控性较差. 此外,在传统的溶剂热法中,需采用有毒的水合肼对产物进行还原[３０],而在氮摻杂石墨烯制备过程中,可将摻杂剂-氮源直接作为还原剂[３１],并且能在较为温和,安全的实验条件下得到不同氮含量的石墨烯. Su 等[３２]就以氧化石墨烯为原料,尿素为氮源,在１６０ ℃ 下,水热３ h, 得到氮含量在５．４７％ ~ ７．５６％之间的氮摻杂石墨烯. 溶剂热法操作方便 ,条件温和 ,安全性较高 ,产量大 ,也是目前为大家最广泛应用的一种方法. 但是,氮掺杂的均一性较差 ,掺杂率的可控性较差 . ２．３热处理法
在热处理法中,氧化石墨烯中的碳和氮反应需要能量 ,温度太低 ,反应时间太短 ,能量不足 ,不能引起结合;温度过高,反应时间过长,会导致碳和氮之间的结合键发生断裂.热处理法是一种简洁,高效制取氮摻杂石墨烯的方法 ,但是得到的氮含量较低 ,对温度和反应时间的把控较为严苛. ２．４等离子处理法

氮掺杂石墨烯的制备方法及在电催化还原方面的应用

科学技术创新2020.04氮掺杂石墨烯的制备方法及在电催化还原方面的应用王鹏楚英豪(四川大学建筑与环境学院，四川成都610065)目前通过掺杂改善石墨烯的催化性质的方法已经得到了广泛的研究，可以通过在石墨烯晶格中掺杂杂原子（N、B、S和P）来调控石墨烯自身的电子结构和几何特征，这种调控对于电催化还原性能具有有利的作用。

氮掺杂因为其简单的合成方法和低廉的成本受到了广泛关注，因为氮掺杂石墨烯在电催化还原体系中稳定和优异的特性，已经应用于多种电催化还原体系。

本文总结了部分高温合成氮掺杂石墨烯的方法，以及氮掺杂石墨烯在电催化还原体系中的应用，为合成不同氮含量和不同氮种类的氮掺杂石墨烯提供参考。

1氮掺杂石墨烯将与C原子大小相当的N掺杂进入石墨烯的晶格可以得到氮掺杂石墨烯，N的引入可以改变石墨烯零带隙的电子结构，并且N-C键的形成可以改变氮掺杂石墨烯的电负性掺杂的N 通过与C的结合方式分为吡啶氮，石墨氮和吡咯氮（如图1），N 直接在石墨烯面内进行掺杂得到石墨氮，提供两个Pπ电子；N 在石墨烯边缘与C结合得到吡啶氮，提供1个Pπ电子；N在缺陷位与5圆环的C成键得到吡咯氮，吡咯氮可以提供更多的电子。

图1氮掺杂石墨烯示意图2氮掺杂石墨烯的合成目前，合成氮掺杂石墨烯的方法包括水热法、溶剂热法、等离子体法、高温热解等方法。

由于在高温方法得到的结构更加稳定，并且有一定的碳化作用，对电催化还原有利，因此本文总结了部分高温合成氮掺杂石墨烯的方法（图2）。

图2高温合成氮掺杂石墨烯示意图2.1氨气处理Sadia Kabir[6]等先将氧化石墨烯在800摄氏度的温度下，用氢气焙烧还原1小时，其主要目的是为了尽可能还原氧化石墨烯上的空位，使其被还原为还原氧化石墨烯。

然后将还原后的还原氧化石墨烯用25%的氢氟酸处理，其目的是为了去除表面的含氧官能团，并且得到有三维结构的石墨烯。

最后将处理后的还原氧化石墨烯在10%的氨气气氛，850摄氏度的温度下烧2小时，最终得到含有高比例吡啶氮，低石墨氮氮含量的氮掺杂石墨烯，并且在该种类氮掺杂石墨烯在负载钯原子后具有很好的电催化氧还原反应催化性能。

氮掺杂还原氧化石墨烯负载铂催化剂的制备及甲醇电氧化性能

氮掺杂还原氧化石墨烯负载铂催化剂的制备及甲醇电氧化性能王丽;马俊红【摘要】Nitrogen-doped reduced graphene oxide materials (N-RGO) derived from pyrolysis of graphene oxide (GO)/polyaniline composites were used as a support for the immobilization of Pt nanoparticles. The morphologies and structures of N-RGO and Pt/N-RGO were comprehensively characterized by transmission electron microscopy (TEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD), and Raman spectroscopy. The electrocatalytic activities of the as-prepared catalysts for CO stripping and methanol oxidation were investigated by cyclic voltammetry and chronoamperometry. The results showed that GO was reduced to multilayer graphene by thermal annealing accompanied with successful incorporation of N atoms into RGO. Moreover, the presence of the doped N atoms enhanced the surface defects and electrical conductivity of the RGO materials. Pt nanoparticles on N-RGO were more evenly dispersed, had better CO tolerance, and had higher activity/stability for methanol oxidation than those on RGO without N doping.%采用高温热解聚苯胺修饰的氧化石墨烯(PANI-GO)，得到了氮掺杂的还原氧化石墨烯碳材料(N-RGO)，以其负载Pt制备了Pt/N-RGO纳米结构电催化剂。

石墨烯的制备及其电化学性能

石墨烯的制备及其电化学性能一、本文概述石墨烯，一种由单层碳原子紧密排列构成的二维纳米材料，自2004年被科学家首次成功制备以来，便因其独特的结构和优异的性能引发了全球范围内的研究热潮。

石墨烯以其高导电性、高热导率、高强度以及良好的化学稳定性等特性，在材料科学、电子学、能源科学等多个领域展现出巨大的应用潜力。

特别是在电化学领域，石墨烯因其高比表面积、优良的电子传输性能和化学稳定性，被广泛应用于电极材料、储能器件以及电化学传感器等方面。

本文旨在全面介绍石墨烯的制备方法及其电化学性能。

我们将概述石墨烯的基本结构和性质，以及其在电化学领域的应用背景。

随后，我们将详细介绍石墨烯的几种主要制备方法，包括机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法等，并分析各方法的优缺点及适用范围。

接着，我们将重点探讨石墨烯在电化学领域的应用，包括其在锂离子电池、超级电容器、燃料电池等储能器件中的性能表现，以及其在电化学传感器中的应用。

我们将对石墨烯的电化学性能进行综合分析，展望其在未来电化学领域的发展趋势和应用前景。

二、石墨烯的制备方法石墨烯的制备方法多种多样，根据其制备原理，主要可以分为物理法和化学法两大类。

物理法：物理法主要包括机械剥离法、取向附生法和碳纳米管切割法等。

机械剥离法是最早用来制备石墨烯的方法，其原理是利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动，得到石墨烯薄层材料。

取向附生法则是在一定条件下，使碳原子在金属单晶（如Ru）表面生长出单层碳原子，然后利用金属与石墨烯之间的弱相互作用，将石墨烯与金属基底分离。

碳纳米管切割法则是通过切割碳纳米管得到石墨烯纳米带。

化学法：化学法主要包括氧化还原法、SiC外延生长法、化学气相沉积法（CVD）等。

氧化还原法是通过将天然石墨与氧化剂反应，得到氧化石墨，再将其进行热还原或化学还原，从而制备出石墨烯。

SiC外延生长法是在高温条件下，使SiC中的Si原子升华，剩余的C 原子在基底表面重新排列，形成石墨烯。

氮掺杂石墨烯负载Pt复合电极催化剂的制备及其电催化性能

文章编号：１００７－９４３２（２０１６）０３－０２８４－０５
氮掺杂石墨烯负载Ｐｔ复合电极催化剂的制备及其电催化性能
武宏钰，任丹丹，周瑞，王晓敏
（太原理工大学材料科学与工程学院，太原０３００２４）
摘要：使用水合肼（ＨＨＡ）还原氧化石墨烯（ＧＯ）制备了Ｎ掺杂石墨烯（Ｇ－Ｎ），并将其作为载体材料负载金属Ｐｔ纳米颗粒合成Ｐｔ／Ｇ－Ｎ复合催化剂。通过Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）、Ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ）、透射电子显微镜（ＴＥＭ）以及循环伏安法（ＣＶ）等测试手段，对所制备催化剂的成分、形貌以及电催化性能进行表征。结果表明，水合肼还原ＧＯ制备出Ｐｔ纳米颗粒均匀负载的Ｐｔ／Ｇ－Ｎ催化剂，该催化剂具有优良的电催化氧化性能和抗ＣＯ中毒性。
直接乙醇燃料电池（ｄｉｒｅｃｔｅｔｈａｎｏｌｆｕｅｌｃｅｌｌｓ，ＤＥＦＣｓ）作为清洁、高效的能源装置，在近年来引起了研究者的广泛关注；这是由于ＤＥＦＣｓ具有高的能量密度、适宜的工作温度、较高的环境友好度、易于装卸等特点［１－２］。石墨烯（ｇｒａｐｈｅｎｅ）是一种由ｓｐ２杂化的碳原子构成的蜂窝状二维网格结构材料，由
ＸＵｅｔａｌ［７］使用尿素作为氮源，通过水热反应制备了Ｐｔ纳米颗粒负载的氮掺杂Ｐｔ／Ｇ－Ｎ，其对甲醇的电催化性能表现出优良的电催化氧化活性和耐久性。ＸＩＯＮＧｅｔａｌ［８］在ＮＨ３气氛中对氧化石墨烯（ｇｒａｐｈｅｎｅｏｘｉｄｅ，ＧＯ）和（ＮＨ４）２ＰｔＣｌ６一同进行淬火处理制备了Ｐｔ／Ｇ－Ｎ催化剂，发现Ｎ掺杂促ห้องสมุดไป่ตู้进了Ｐｔ纳米颗粒在载体上的均匀分布，其本质是由于含Ｎ官能团导致电催化氧化甲醇活性的大幅度提高。ＨＥｅｔａｌ［９］研究了Ｐｔ／Ｇ－Ｎ催化剂在质子燃料电池中的应用，发现Ｐｔ／Ｇ－Ｎ具有高的ＯＲＲ和电化学活性面积。然而，如何进一步使催化剂的乙醇电催化性能最大化仍有待研究。

氮掺杂石墨烯的制备及氧还原电催化性能

氮掺杂石墨烯的制备及氧还原电催化性能一、本文概述随着能源危机和环境问题的日益严峻，寻求高效、清洁、可持续的能源技术已成为全球科研工作者的重要任务。

作为新一代能源技术的重要组成部分，燃料电池和金属-空气电池等电化学能源转换装置因具有高能量密度和环保特性而备受关注。

在这些电化学能源转换装置中，氧还原反应（ORR）是关键步骤之一，其催化剂的性能直接影响到整个装置的能量转换效率和使用寿命。

因此，开发高效、稳定的氧还原电催化剂成为了当前研究的热点。

近年来，石墨烯作为一种新兴的二维纳米材料，因其独特的电子结构和物理化学性质，在电催化领域展现出巨大的应用潜力。

而氮掺杂石墨烯作为一种通过引入氮原子对石墨烯进行改性的材料，不仅保留了石墨烯原有的优点，还在电催化性能上有了显著提升。

氮掺杂石墨烯的引入可以改变石墨烯的电子结构，提高其对氧分子的吸附能力，从而优化氧还原反应的动力学过程。

因此，氮掺杂石墨烯被认为是一种具有广阔应用前景的氧还原电催化剂。

本文旨在探讨氮掺杂石墨烯的制备方法以及其在氧还原电催化反应中的性能表现。

我们将详细介绍氮掺杂石墨烯的合成方法，包括化学气相沉积法、热解法、溶剂热法等，并分析各种方法的优缺点。

我们将通过电化学测试手段，如循环伏安法、线性扫描伏安法等，评估氮掺杂石墨烯在氧还原反应中的催化性能，并探讨其催化机理。

我们还将讨论氮掺杂石墨烯在实际应用中所面临的挑战和可能的解决方案。

通过本文的研究，我们期望能够为氮掺杂石墨烯在氧还原电催化领域的应用提供有益的理论指导和实验依据，为推动新一代电化学能源转换装置的发展做出贡献。

二、氮掺杂石墨烯的制备方法氮掺杂石墨烯的制备是提升其氧还原电催化性能的关键步骤。

目前，常见的氮掺杂石墨烯制备方法主要包括化学气相沉积法、热处理方法、化学还原法以及原位合成法等。

化学气相沉积法是一种在气相中通过化学反应生成固态物质并沉积在基底上的方法。

在氮掺杂石墨烯的制备中，含碳和含氮的前驱体在高温下分解，碳原子和氮原子在基底上重新排列，形成氮掺杂石墨烯。

氮掺杂石墨烯的制备及其在锂硫电池中的应用实验报告

实验报告：氮掺杂石墨烯的制备及其在锂硫电池中的应用1. 实验目的：-制备氮掺杂石墨烯，并研究其在锂硫电池中作为电极材料的性能表现。

2. 实验步骤：a. 制备石墨烯：-使用机械剥离法或化学气相沉积法（CVD）制备单层或少层石墨烯材料。

b. 氮掺杂处理：-在石墨烯表面进行氮掺杂处理，可以采用氨气等氮源进行热处理或化学反应来实现。

c. 材料表征：-使用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和拉曼光谱等技术对样品进行形貌和结构表征。

d. 锂硫电池测试：-将制备好的氮掺杂石墨烯作为正极材料，另一极使用锂金属或碳负极，组装成锂硫电池进行充放电测试。

e. 性能评估：-进行电化学性能测试，如电容量、循环稳定性和倍率性能的评估。

3. 实验结果：a. 材料表征结果显示成功制备出氮掺杂石墨烯，并观察到氮原子掺杂的存在。

b. 锂硫电池测试结果表明，氮掺杂石墨烯正极材料在锂硫电池中具有较高的电容量和循环稳定性。

c. 倍率性能测试显示，氮掺杂石墨烯可以实现较高倍率的充放电性能。

4. 结论：-成功制备了氮掺杂石墨烯材料，并证明其在锂硫电池中作为正极材料具有良好的电化学性能。

-氮掺杂可改善石墨烯的导电性和离子传输性，提高锂硫电池的能量存储和循环稳定性。

5. 讨论与展望：-进一步优化氮掺杂工艺，改进石墨烯的结构和掺杂度，以提升其电化学性能。

-探索其他掺杂元素和多元素掺杂石墨烯的制备方法，以进一步改善锂硫电池的性能。

此实验报告仅为示例，具体实验细节和结果可能因实验条件和设备不同而有所差异。

在进行相关实验时，请参考最新的研究方法和标准，并根据实验室要求进行操作。

n掺杂石墨烯及其场效应晶体管研究

n掺杂石墨烯及其场效应晶体管研究石墨烯（graphene）是一种拥有二维结构的碳材料，每层石墨烯由碳原子通过sp2杂化形成的六角形晶格组成。

由于其独特的结构和优异的电子输运性能，石墨烯在材料科学和纳米电子学领域引起了广泛的关注。

一般情况下，石墨烯是一种零带隙材料，即其导带和价带在费米能级附近相交，使得电子无法被完全禁闭或针对特定应用产生高的载流子浓度。

为了改变石墨烯的导电性质，研究人员通常会往其结构中引入杂原子，其中掺杂氮（N）是应用最广泛的方法之一。

氮原子可以替代碳原子占据石墨烯的晶格位点，形成氮掺杂石墨烯。

氮掺杂石墨烯可以在一定程度上改变石墨烯的导电性质。

一方面，氮原子的引入会导致石墨烯结构中断，破坏了部分π共轭结构，增强了其带隙性能。

这样的氮掺杂石墨烯被称为带隙石墨烯，其导电性能介于传统半导体和金属之间。

另一方面，氮原子的掺杂可以引入额外的电子或空穴，增加了石墨烯的载流子浓度。

这样的氮掺杂石墨烯被称为导电性石墨烯，由于额外的载流子浓度，其导电性能得到显著提高。

在氮掺杂石墨烯的基础上，研究人员开发了场效应晶体管（FET），以进一步实现对石墨烯电子输运的控制。

场效应晶体管是一种通过在半导体材料上利用外接电场调节载流子浓度的电子装置。

在氮掺杂石墨烯上构建的场效应晶体管可以通过引入铝栅极和硅衬底来实现。

研究发现，氮掺杂石墨烯场效应晶体管具有优异的电子性能。

通过调节外加电场，可以实现晶体管的开关效应，即使在室温下也可以实现高电导率和低漏电流。

此外，石墨烯的二维结构使得其表面与底物接触的面积较大，从而使得场效应晶体管具有高灵敏度和快速响应的特性。

除了在电子学应用中的潜在应用，氮掺杂石墨烯场效应晶体管还具有其他许多有趣的特性。

例如，研究人员还发现氮掺杂石墨烯可以作为气敏材料，对环境中的一氧化碳等气体具有高灵敏度。

此外，石墨烯的高载流子迁移率、高光学透明性和强机械柔韧性还为其在光电子学和柔性电子学领域的应用提供了新的可能性。