含钴多元金属硫化物/N掺杂石墨烯复合物的制备及其性能(3)
下面以氢氧燃料电池为例并结合图1-1来说明燃料电池的工作原理：燃料电池工作时，在负极上，氢气在阳极催化剂的作用下放出电子和H+；随着电解液中H+的溶度不断增加，而正极不断汇集电子；在正极上，氧气在阴极催化剂的作用下，得到电子并与H+发生反应应生成水。如果外部不断向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它就可以连续不断的发电[3]。
在过去的几十年中，科研人员对燃料电池的研究一直没有停止，这使得其发展十分迅速，但是直至今日，燃料电池的商业化应用仍然存在很大的困难。其中的原因之一是：氢气是燃料电池中常用的阳极燃料，但是氢气本身所存在的易燃易爆，不易储存和运输的特性，使得其在实际应用中存在较大的困难，现在科研人员仍在致力于解决这一难题。燃料电池难以商业化应用的另一原因是催化剂的成本问题，目前燃料电池所使用的性能良好的催化剂均是贵金属催化剂，这使得电池成本居高不下。
图1-1氢氧燃料电池工作原理图[4]
1.3 氧还原催化剂研究现状
1.3.1贵金属氧还原催化剂
1.3.3催化剂载体的研究现状
1.4 石墨烯
1.4.1 石墨烯的简介
石墨烯自1986年首次提出至2004年之前，都作为一种假设性的结构，无法单独稳定存在[10]，但是2004年，英国曼彻斯特大学物理学家Andre Geim和Konstantin Makolinqing成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，从而证实它可以单独存在，基于此贡献二人于2010年共同获得了诺贝尔物理学奖。从此，石墨烯便以其独特的结构和优异的性能而轰动整个科学界[11-13]。
1.4.2 氧化石墨烯的简介
石墨烯虽然具有有许多优异的性能，但是却很难应用。原因是石墨烯的化学性质非常稳定并且整个表面没有活性位点而使其难溶于水和有机溶剂，为了改变这种情况，因此在使用石墨烯前一般会将其进行功能化修饰，这不仅是石墨烯分散，溶解和成型加工的重要手段，而且也可以为石墨烯赋予新的性质，拓展其应用领域。
将石墨烯氧化从而得到石墨烯的衍生物氧化石墨烯是石墨烯功能化最常用的方法之一，氧化石墨烯相比于石墨烯，更多的区别是碳骨架上的含氧官能团的排布。虽然由于含氧官能团的存在，氧化石墨烯的导电能力稍差，但是其在水和常用的有机溶剂中的溶解分散能力更强了。因此，科研人员在制备石墨烯时通常都使用氧化石墨烯作为前驱体。
1.4.3 石墨烯的优异性能
研究表明石墨烯是一种在电学，力学，热力学，光学等方面都具有优异性能的新型材料。石墨烯具有优异的电学性能表现在石墨烯表现出比较强的双极性电场效应，载流子浓度，室温条件下优异的电子迁移性能[14]。其热力学性能优异表现在单层石墨烯分散液在室温下的热导率高达5000Wm-1K-1。在硅基上，单层石墨烯的热导率大约为600 Wm-1K-1。在硅-石墨烯界面上较强的界面扩散导致的声子的流失导致石墨烯热导率的减少 [15]。即使这样，石墨烯的热导率仍然比现在普遍使用的的硅基材料高出50多倍。石墨烯具有优异的力学性能，主要体现在石墨烯的抗断强度达到42 N•m-1，杨氏模量高达1 TPa [16]。并且外部的负载可以改变石墨烯的电学性能，如场发射性能等[17]。石墨烯的力学声子与石墨烯拉曼光谱中G带与2D带的位移有关。通过原子力显微镜可以对功能化石墨烯或者氧化还原石墨烯的弹性变形进行研究。通过对功能化石墨烯多次重复折叠以及还原过程，折痕出现在同样的地方，这表明在功能化石墨烯中，存在着扭结或者线性缺陷[18]。
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