氮掺杂碳纳米管及氧化石墨烯薄膜的制备及其性能研究

论文摘要

碳纳米管（carbon nanotube,CNTs）是一种特殊的一维碳材料,可以看作是由石墨片沿着中心卷曲而成的中空纳米管状结构,石墨烯/碳纳米管（G/CNTs）复合材料结构决定了其优异的物理和化学性能,这也吸引了广大科研人员的关注。氮原子具有比碳更带小的原子半径,以及氮原子的电负性（3.04）比C原子（2.55）更高,因此,氮原子可以作为电子供体以取代的方式对碳纳米管和氧化石墨烯（graphene oxide,GO）进行掺杂,从而改善CNTs和GO电学和光学等方面的性能。目前,氮掺杂碳纳米材料通常是通过多步化学气相沉积（CVD）法制备的。这些氮掺杂石墨稀的方法通常需要较为复杂的实验流程,并且一般需要较高的温度,并且不容易得到高含氮量的N掺杂碳纳米材料。特别是对于研究膜状的掺杂石墨稀光电等性能时,在高温下往往容易造成膜变脆而容易破裂,造成膜的不连续,从而影响其研究。因此,探索一种简单、低温、高效且适合大规模合成N掺杂石墨烯基纳米材的方法并对样品性质进行系统的研究虽得尤为重要,也是当前科研工作者急需解决的问题。在本论文中,我们研究了基于石墨烯量子点（Graphene Quantum Dots,GQDs）无催化剂一步制备碳纳米管过程中影响碳纳米管形貌和微结构的因素。同时我们采用无催化剂的CVD方法一步制备出氮掺杂碳纳米管。本方法不需要金属催化剂、也不利用前驱体,且更简单、更快速、生长时间短。本论文主要研究内容如下:1、GQDs和GO的制备本章节详细介绍采用氧化法制备石墨烯量子点样品、和改进Hummers方法制备氧化石墨烯的具体实验过程,给出实验所需原材料、实验所用试剂以及表征仪器,并且对GQDs和GO样品的形貌及微结构等表征做了简单的介绍。2、基于石墨烯量子点的碳纳米管的制备及性能研究本章节具体介绍了一种简单的无催化方法制备出竹节型碳纳米管,系统研究了基于石墨烯量子点无催化剂制备碳纳米管过程中影响碳纳米管形貌和微结构的因素及其光致发光的光学性能研究。研究结果表明:由扫描电子显微镜（SEM）综合分析可以得到,生长温度为900℃时,更合适碳纳米管的生长,制备的碳纳米管质量最佳;生长时间对制备的碳纳米管的管径有较大的影响,但是不会改变其基本形貌;乙炔气体的流量对制备的碳纳米管的形貌有着显著的影响,当乙炔流量为0.25 ml/min时,制备的碳纳米管品质较好。透射电镜显微镜（TEM）显示制备出的CNTs为竹节型碳纳米管,在一定时间范围内,随着生长时间的增加,乙炔流量的增大,CNTs的管径随之递增。光致发光（photoluminescence,PL）测试结果显示,BCNTs样品在292 nm、362 nm具有明显的吸收峰,竹节型碳纳米管（BCNTs）的近紫外区发光被认为与GQDs的催化活性有关。因此,CNTs优越的光学性能能够使其在许多应用中得到应用,包括多色发光器件、生物应用和光伏发电。3、基于石墨烯量子点的一步CVD法制备氮掺杂碳纳米管的研究本章节具体介绍了一种简单的、无催化剂的CVD法一步制备氮掺杂碳纳米管的工艺装置以及生产过程。本方法不需要金属催化剂、也不利用前驱体,且更简单、更快速、生长时间短。系统研究了基于石墨烯量子点无催化剂一步制备氮掺杂碳纳米管过程中影响碳纳米管形貌和微结构的因素。研究结果表明:由SEM综合分析可以得到,制备的氮掺杂碳纳米管管径分布均匀,为45-60 nm。拉曼光谱（Raman）和X射线光电子能谱（XPS）表征结果表明,N原子的掺杂破坏了CNTs原本的六边形石墨结构,引起缺陷,从而导致其的晶化程度和热稳定性下降。4、氮掺杂氧化石墨烯薄膜的制备及其太赫兹性能研究本章节具体介绍了一种简单的旋涂法制备氧化石墨烯薄膜,对GO薄膜进行光化学氮掺杂,并探究了NGO薄膜在太赫兹波段的响应。SEM表征结果显示,NGO薄膜呈卷曲片状结构,且是由大量的单层氧化石墨烯堆积而成的多层氧化石墨烯。掺杂前后样品的XPS表征表明,与原始GO薄膜比较,在NGO薄膜样品中氧的含量明显下降,且出现了明显的氮峰,同时对N元素的键型进行了详细的分析。THz-TDS测试中频域图谱结果显示,随着氮掺杂时间的变化,NGO薄膜出现了明显太赫兹吸收,而rGO薄膜的太赫兹波段频域图谱保持稳定状态,没有特征频率下的吸收。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 碳纳米管的概述
•     1.2.1 碳纳米管的制备
•     1.2.2 氮掺杂碳纳米管的制备
•     1.2.3 碳纳米管纳米材料的应用
•   1.3 氮掺杂氧化石墨烯薄膜的概述
•     1.3.1 氧化石墨烯的制备
•     1.3.2 氮掺杂氧化石墨烯膜的制备
•     1.3.3 石墨烯碳基材料的应用
•   1.4 本文的主要研究内容
•     1.4.1 本论文的研究意义
•     1.4.2 本论文的研究内容
•   参考文献
• 第二章 石墨烯量子点及氧化石墨烯的制备与表征
•   2.1 实验原材料和仪器
•     2.1.1 实验原材料
•     2.1.2 实验主要仪器
•   2.2 样品的表征方法
•     2.2.1 扫描电子显微镜镜测试（SEM）
•     2.2.2 透射电子显微镜镜测试（TEM）
•     2.2.3 拉曼光谱测试（Raman）
•     2.2.4 傅里叶红外光谱测试（FTIR）
•   2.3 石墨烯量子点的制备和表征
•     2.3.1 石墨烯量子点的制备
•     2.3.2 石墨烯量子点的TEM分析
•     2.3.3 石墨烯量子点的Raman分析
•     2.3.4 石墨烯量子点的FTIR分析
•     2.3.5 石墨烯量子点的XPS分析
•   2.4 氧化石墨烯的制备和表征
•     2.4.1 氧化石墨烯的制备
•     2.4.2 氧化石墨烯的SEM分析
•     2.4.3 氧化石墨烯的Raman分析
•     2.4.4 氧化石墨烯的FTIR分析
•     2.4.5 氧化石墨烯的XPS分析
•   2.5 本章小结
•   参考文献
• 第三章 基于石墨烯量子点的碳纳米管的制备及性能研究
•   3.1 引言
•   3.2 实验部分
•     3.2.1 样品的制备
•     3.2.2 样品的表征
•   3.3 实验结果与分析
•     3.3.1 生长温度对样品的形貌和微结构的影响
•     3.3.2 生长时间对样品的形貌和微结构的影响
•     3.3.3 乙炔气体流量对样品的形貌和微结构的影响
•     3.3.4 光学性能分析
•   3.4 本章小结
•   参考文献
• 第四章 基于石墨烯量子点的一步CVD法制备氮掺杂碳纳米管的研究
•   4.1 引言
•   4.2 实验部分
•     4.2.1 样品的制备
•     4.2.2 样品的表征
•   4.3 实验结果与分析
•     4.3.1 扫描电子显微镜（SEM）分析
•     4.3.2 拉曼光谱（Raman）分析
•     4.3.3 傅里叶红外光谱（FTIR）分析
•     4.3.4 X射线光电子能谱（XPS）分析
•   4.4 本章小结
•   参考文献
• 第五章 氮掺杂氧化石墨烯薄膜的制备及其太赫兹性能研究
•   5.1 引言
•   5.2 实验部分
•     5.2.1 样品的制备
•     5.2.2 样品的表征
•     5.2.3 太赫兹测试仪器与参数
•   5.3 实验结果与分析
•     5.3.1 光照时间对样品的形貌和微结构的影响
•     5.3.2 光照时间对样品太赫兹波段性能的影响
•   5.4 本章小结
•   参考文献
• 第六章 总结与展望
•   6.1 本文主要结论
•   6.2 研究展望
• 硕士期间发表的论文及专利
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 白小花

导师: 孔文婕,刘富池

关键词: 石墨烯量子点,碳纳米管,氮掺杂,无金属催化法

来源: 广西师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,工业通用技术及设备

单位: 广西师范大学

分类号: O484

总页数: 76

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