碳纳米管和石墨烯的合成及其氮掺杂

【摘要】：碳纳米管和石墨烯独特的一维管状和二维平面结构赋予其优异的物理化学性质,在纳米电子器件、复合材料和催化剂等领域具有广阔的应用前景。对碳纳米管和石墨烯进行氮元素掺杂是调节其性质、促进其实际应用的有效手段。研究开发碳纳米管和石墨烯及其氮掺杂体的大批量低成本合成新技术是实现其大规模应用的重要基础。 本论文利用爆炸辅助化学气相沉积技术快速、自热和有效产生碳簇的特点,分别以过渡金属和碳纳米管作催化剂,简单高效制备出碳纳米管和氮掺杂碳纳米管,并深入研究了其动态生长机理。同时,在利用爆炸辅助热解合成石墨烯的基础上,采用微波辐照技术合成出石墨烯和氮掺杂石墨烯,并对石墨烯在复合材料中的应用进行了初步探索。 主要研究结果如下： 1)采用爆炸辅助化学气相沉积法,以液体石蜡作碳源,以过渡金属(Co,Ni,Fe)作催化剂,有效合成出竹节状碳纳米管。在爆炸体系中引入适量硫元素,可实现竹节状碳纳米管向空心状碳纳米管的结构转变。催化剂的晶体结构与碳纳米管的结构转变无关。 2)过渡金属催化竹节状碳纳米管的生长遵循时空动态生长模型。催化剂颗粒不断发生动态形变,辅助碳纳米管的连续生长。管内竹节的石墨层优先在催化剂和管壁间的多级纳米金属阶梯处成核。少量硫添加剂将优先吸附在竹节的石墨层成核的金属阶梯处,堵塞石墨层的成核位,从而抑制了竹节的生长,合成出空心状碳纳米管。 3)采用爆炸辅助化学气相沉积法,分别以液体石蜡和三聚氰胺作碳/氮源,以碳纳米管作催化剂,实现空心状纯碳纳米管和竹节状氮掺杂碳纳米管的无金属催化剂合成。氮掺杂碳纳米管中氮含量高达17.3 at%,主要以pyridine-like N和graphitic N的形式存在于石墨层网格中。催化剂碳纳米管良好的催化作用归因于其端部的纳米级弯曲和开放性边缘具有良好的吸附并组装Cn/CN物种生成石墨层的能力。 4)采用微波辐照气相处理石墨氧化物,使其层内含氧官能团迅速分解,生成的大量气体剧烈膨胀将石墨氧化物剥离还原成透明绢丝状石墨烯。石墨氧化物经饱和碳酸铵溶液浸渍后生成NH4+插层化合物,微波辐照气相处理制备出含氮量为1.6wt%的氮掺杂石墨烯,氮元素主要以pyridinc N、pyrrolic N和graphitic N掺杂入石墨层网格中 5)采用微波辐照选择性加热石墨氧化物/N-甲基吡咯烷酮溶液,在低温溶剂热作用下石墨氧化物中的含氧官能团快速分解,将石墨氧化物液相热剥离还原生成仅含有2-5层石墨层的透明石墨烯片,制备出稳定均匀分散的石墨烯有机溶液。