原位聚合氮化碳-石墨烯纳米复合材料及其性能研究(2)
3.1.4 拉曼光谱分析 14
3.1.5 X射线光电子能谱分析 15
3.1.6 样品形貌分析 16
3.1.7 g-C3N4-rGO共价偶联的形成机理 17
3.2 氮化碳-石墨烯复合材料的储锂性能研究 19
3.3 铁酸镍/石墨烯/氮化碳三元纳米复合材料的结构与形貌 22
3.3.1 X射线衍射光谱分析 22
3.3.2 拉曼光谱分析 23
3.4 本章小结 24
结 论 25
致 谢 26
参考文献 27
1 引言
进入21世纪，能源与环境问题成为人类社会可持续发展道路中必须要解决的问题。煤、石油、天然气等化石能源给人类带来了不可限量的财富与便利，然而其在燃烧过程中产生的废气却给人类环境带来了无法估量的打击，对人类的生产生活造成了巨大影响。同时不断增长的能源需求以及传统的化石燃料储备枯竭，刺激着科学家在替代能源转换和储存系统方面激烈的研究，新能源的开发以及合适的储能装置的研究逐渐成为当前国际化学、材料、能源等领域的研究热点。另外，便携式电子设备的需求驱动着可充电固态电池的技术发展。二次电池，可以实现电能和化学能之间的相互转化，合理有效地利用能源。而锂离子电池具有高的能量密度，灵活和轻便的设计，较长的使用寿命等优点，是目前应用最广泛的二次电池。
1.1 石墨烯概述
石墨烯是碳原子以蜂窝状结构紧密堆积而成的一种二文结构材料，结构如图1.1所示，其碳原子以 sp2杂化形式存在。2004 年由英国 Manchester 大学的 Geim等[1]人首次制备出。石墨烯不仅具有独特的大而稳定的结构，还展现出优异的物理化学性质，室温下载流子迁移率[2]达到200000 cm2•V-1•s-1，高热导率[3]（5000 W•m-1•K-1），高硬度[4]（~1 Tpa）等。狭义的石墨烯应该是单层的，广义上则包括单层石墨烯、双层石墨烯以及少层石墨烯（3~10层）[5]。在石墨烯的制备过程中，出现了一种重要的石墨烯衍生物材料，它是高度氧化的石墨烯，即氧化石墨烯（GO）（如图1.1所示）。氧化石墨烯（GO）片层有很多的含氧基团（羟基、环氧基、羧基等），这些基团使得氧化石墨烯片层具备了较强的亲水性，可稳定的分散在水中[6-8]。氧化石墨烯（GO）表面大量的含氧基团会使得其导电性大大降低，即便如此，由于其在水相体系良好的分散性以及基团的存在，相比石墨烯可以更好地与多种聚合物或有机无机粒子复合，为合成新型的纳米复合材料提供了更多可能性。相关文献所报道的石墨烯包括了上述所有石墨烯材料。
图1.1 石墨烯（graphene）和氧化石墨烯（GO）的结构示意图[9]
1.1.1 石墨烯的制备方法
石墨烯的制备有多种方法，主要包括机械剥离法、液相直接剥离法、化学气相沉积法、晶体外延生长法以及还原氧化石墨法等[1,10-12]。其中，尤以化学气相沉积法和还原氧化石墨法最有可能实现量产。
化学气相沉积法（chemical vapor deposition, CVD）是指将聚合物薄膜在金属催化剂的基体上沉积，制备出高质量的层数可控的石墨烯。Ni和Cu是常用的金属催化剂，由于C在 Cu 中溶解度很低，故采用Cu制备石墨烯使得石墨烯自限性生长，石墨烯为单层[13]。还原氧化石墨法需要先制得氧化石墨烯。而氧化石墨烯的制备通常有Brodie法[14]、Staudenmaier法[15]、Hummers法[16]或者在这些方法基础上的改进方案。其中Hummers法反应简单，时间短且产量高，被广泛使用。通过浓硫酸以及高锰酸钾氧化石墨，然后经超声或热处理可剥离石墨层。在水合肼、硼氢化钠、强碱等还原剂中进行液相反应或者在惰性气体中烧结都可以部分还原氧化石墨烯，从而转变为石墨烯并恢复良好的导电性等。值得一提的是，最近，Gao课题组[17]发现了一种新型、廉价、无毒的铁系氧化剂，可快速穿插进入石墨内部，让石墨很快分层，在一个小时之内就能制得单层氧化石墨烯，可能适用于工业化大规模制备。
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