氮/硫共掺杂多孔碳纳米片的制备及其电化学性能

二维多孔碳材料能够提供较短的电解质扩散通道和较快的电子传输过程,因此在能量转换和储存装置中表现出优异的电化学性能.近年来的理论和实验研究表明,两元素共掺杂可使二维多孔碳材料的电化学性能得到明显提高.因此,共掺杂二维多孔碳材料的制备成为目前的研究热点之一.本文以甲基橙-FeCl₃复合物为模板引发剂制备了甲基橙掺杂的聚吡咯纳米管,通过对聚吡咯纳米管与KOH混合物（重量比为1：2）在700 ℃进行热处理,制备了二维石墨烯状氮/硫共掺杂多孔碳纳米片.所制备的氮/硫共掺杂多孔碳纳米片相互连结,形成了多级孔结构.氮气吸附分析表明多级孔结构包含微孔、介孔和大孔,这使所制备的氮/硫共掺杂多孔碳纳米片具有较高的比表面积（1744.58 m²/g）和孔体积（1.01 cm³/g）.共掺杂多孔碳纳米片中的掺杂氮以吡啶氮、吡咯氮和季胺氮形式存在,掺杂硫以噻吩硫和氧化态硫形式存在,二者之间的协同效应能够明显改善碳纳米片表面的浸润性,增加表面电化学活性点.这些特征使所制备的氮/硫共掺杂多孔碳纳米片表现出优异的电化学性能.用氮/硫共掺杂多孔碳纳米片制备的量子点敏化太阳能电池对电极,对多硫电解质再生反应的电催化活性与传统PbS对电极相近,所组装电池的光电转换效率可达到4.30%（100 mW/cm²）.氮/硫共掺杂多孔碳纳米片作为超级电容器电极材料,以6 M（1 M=1 mol/L）KOH为电解质,电流密度为0.4 A/g,比电容达到312.8 F/g.即使电流密度增加到20 A/g,比电容仍达到200.6 F/g,表明其具有较好的倍率性能.     

基于片层结构钴卟啉金属有机骨架的高效氧还原反应电催化剂

使用片层结构的金属有机骨架作为前驱物,通过高温煅烧制备出氮掺杂的介孔碳材料,同时在片层碳骨架上均匀分布着石墨化碳包裹的钴纳米粒子.电化学测试表明,800℃制备的样品具有与铂炭（Pt/C）催化剂相接近的氧还原反应催化活性,催化稳定性和甲醇耐受性良好,显著超越商品化Pt/C催化剂.     

氮掺杂发光碳纳米点的研究探索

采用微波法制备了氮掺杂碳纳米点。通过调控碳纳米点中氮元素的掺杂含量和表面的化学环境,实现了对碳纳米点发光特性的调控。在此基础上,可实现完全基于氮掺杂碳纳米点的荧光墨水、比率型荧光探针及光泵浦激光。研究目的在于探索氮掺杂碳纳米点的发光机理,揭示影响碳纳米点荧光量子效率的因素及其在生物成像、传感、防伪、信息存储、激光等领域的应用。     

氮掺杂碳气凝胶电极材料的制备及性能

以三聚氰胺（M）、间苯二酚（R）和甲醛（F）为原料,经溶胶-凝胶法、超临界干燥和高温碳化制备了系列的氮掺杂碳气凝胶（NCAs）。X射线光电子能谱(XPS)分析表明,氮元素成功地引入到碳气凝胶中,并且可以通过调节三聚氰胺掺杂量来控制氮掺杂量;扫描电子显微镜（SEM）和N2吸附测试显示出不同氮掺杂量的碳气凝胶的微观结构差异较大,随着氮含量的增加,比表面积有先减后增的趋势;在6 mol/L KOH溶液中进行的恒流充放电和循环伏安测试表明,引入氮元素能够极大地改善碳气凝胶的电化学性能,最高比电容量达176 Fg-1,并且凝胶具有良好的电容特性和可逆性。     

边界对石墨烯量子点非线性光学性质的影响

石墨烯作为一种新型非线性光学材料,在光子学领域具有重要的应用前景,引起研究人员的极大兴趣.本文运用量子化学计算方法研究了边界引入碳碳双键(C=C)和掺杂环硼氮烷(B₃N₃)环对石墨烯量子点非线性光学性质和紫外-可见吸收光谱的影响.研究发现,扶手椅边界上引入C=C双键后,六角形石墨烯量子点分子结构对称性降低,电荷分布对称性发生破缺,导致分子二阶非线性光学活性增强.石墨烯量子点在从扶手椅型边界向锯齿型边界过渡的过程中,随着边界C=C双键数目的增加,六角形石墨烯量子点和B3N3掺杂六角形石墨烯量子点的极化率和第二超极化率分别呈线性增加.此外,边界对石墨烯量子点的吸收光谱也有重要影响.无论是石墨烯量子点还是B₃N₃掺杂石墨烯量子点,扶手椅型边界上引入C=C双键导致最高占据分子轨道能级升高,最低未占分子轨道能级的降低,前线分子轨道能级差减小,因而最大吸收波长发生了红移.中心掺杂B₃N₃环后会增大石墨烯量子点的分子前线轨道能级差,导致B3N3掺杂后的石墨烯量子点紫外-可见吸收光谱发生蓝移.本文研究为边界修饰调控石墨烯量子点非线性光学响应提供了一定的理论指导.     

CVD合成的掺杂BNx-石墨烯纳米复合材料:结构和发光性能

用B₄C为硼源,利用CVD系统在N₂-H₂等离子体中合成了掺杂BN_x纳米棒,接着在掺杂BN_x纳米棒表面用CH₄生长了石墨烯纳米片,制备出掺杂BN_x-石墨烯三维纳米复合材料。一系列表征结果说明合成的纳米复合材料由C和O共掺杂的BN_x纳米棒和石墨烯纳米片组成,其形成与碳氢基团的转换和掺杂BN_x纳米棒的形变在石墨烯纳米片中产生的应力有关。室温发光性能表明石墨烯纳米片对掺杂BN_x纳米棒的紫外光和绿光有明显的猝灭作用,起源于掺杂BN_x-石墨烯界面上的电荷转移和电子散射。     

硼或氮掺杂的锯齿型石墨烯纳米带的非共线磁序与电子输运性质

基于非共线磁序密度泛函/非平衡格林函数方法,研究了硼或氮掺杂的锯齿型石墨烯纳米带的非共线磁序与电子透射系数.未掺杂的石墨烯纳米带的计算结果表明磁化分布主要遵循类似于Neel磁畴壁的螺旋式磁化分布.相比于未掺杂的情况,硼/氮掺杂的石墨烯纳米带的磁化分布出现了双区域的特征,即杂质原子附近的磁化较小,杂质原子左(右)侧区域的磁化分布更接近于左(右)电极的磁化方向,这为通过掺杂手段在石墨烯纳米带边缘上构建不同磁畴壁提供了可能性.与未掺杂的透射系数不同的是,硼/氮掺杂的石墨烯纳米带的透射系数在费米面附近随着磁化偏转角增大而减小,表明非共线磁序引起的自旋翻转散射占据主导地位.而在E=±0.65 eV处,出现了一个较宽的dip结构,投影电子态密度的分析表明其来源于杂质原子形成的束缚态所引起的背散射.我们的研究结果对于理解石墨烯纳米带中的非共线磁序与杂质散射以及器件设计具有一定的意义.     

氮掺杂和空位对石墨烯纳米带热导率影响的分子动力学模拟

石墨烯是近年纳米材料研究领域的一个热点,其独特的热学性质受到了广泛关注,为了实现对石墨烯传热特性的预期与可控,利用氮掺杂和空位缺陷对石墨烯进行改性.采用非平衡态分子动力学方法研究了扶手形石墨烯纳米带中氮掺杂浓度、位置及空位缺陷对热导率影响并从理论上分析了热导率变化原因.研究表明氮掺杂后石墨烯纳米带热导率急剧下降,氮浓度达到30%时,热导率下降了75.8%;氮掺杂位置从冷浴向热浴移动过程中,热导率先近似的呈线性下降后上升;同时发现单原子三角形氮掺杂结构比多原子平行氮掺杂结构对热传递抑制作用强;空位缺陷的存在降低了石墨烯纳米带热导率,空位缺陷位置从冷浴向热浴移动过程中,热导率先下降后上升,空位缺陷距离冷浴边缘长度相对于整个石墨烯纳米带长度的3/10时,热导率达到最小.石墨烯纳米带热导率降低的原因主要源于结构中声子平均自由程和声子移动速度随着氮掺杂浓度、位置及空位缺陷位置的改变发生了明显变化.这些结果有利于纳米尺度下对石墨烯传热过程进行调控及为新材料的合成应用提供了理论支持.     

B/N掺杂类直三角石墨烯纳米带器件引起的整流效应

基于密度泛函理论结合非平衡格林函数的方法, 研究了硼(氮)非对称掺杂类直三角石墨烯纳米带器件的电子输运性能. 计算结果表明: 单个硼或氮原子取代类直三角石墨烯纳米带顶点的碳原子后, 增强了体系的电导能力, 并且出现了新颖的整流效应. 分析表明: 这是由于硼氮掺杂类直三角石墨烯纳米带器件在正负偏压下分子能级的移动方向和前线分子轨道空间分布的不对称而产生的. 最重要的是, 当左右类直三角石墨烯纳米带的顶端原子同时被硼和氮掺杂后, 体系的整流效应显著增强, 而且出现负微分电阻效应.     

β石墨炔衍生物结构稳定性及电子结构的密度泛函理论研究

石墨炔衍生物比石墨烯具有更多样化的原子结构,因而具有潜在的更丰富的电子结构.通过第一性原理密度泛函理论研究方法系统研究了β石墨炔衍生物的结构稳定性、原子构型和电子结构.本文计算的β石墨炔衍生物系列体系由六边形碳环(各边原子数N=1—10)通过顶点相连而成.对结构与能量的计算分析表明:当N为偶数时,β石墨炔拥有单、三键交替的C—C键结构,其能量比N为奇数时,拥有连续C=C双键的石墨炔衍生物更稳定.计算的能带结构和态密度显示:根据碳环各边原子个数N的奇偶性不同,β石墨炔可呈现金属性(N为奇数时)或半导体特性(N为偶数时).该奇偶依赖的原子构型和电学性质是由Jahn-Teller畸变效应导致,与碳环各边原子碳链的实际长度无关.计算发现部分半导体β石墨炔(N=2,6,10)呈现狄拉克锥能带特征,其带隙约10 meV,且具有0.255×10~6—0.414×10~6m/s的高电子速度,约为石墨烯电子速度的30%—50%.本密度泛函理论研究表明,将sp杂化碳原子引入石墨烯六边形碳环的边上,可通过控制六边形各边原子个数的奇偶性调制其金属和半导体电子特性或狄拉克锥的形成,为免掺杂和缺陷调控纳米碳材料的电学性质和设计碳基纳米电子器件提供了理论依据.     

强耦合串联石墨烯纳米机械振子

与微米机械振子相比, 纳米机械振子使用纳米级材料制备, 尺寸更小, 质量更轻, 它作为探测器, 在探测力、质量等物理量时拥有更高的灵敏度. 石墨烯有高强度、 低密度等优良的机械特性, 被认为是制备纳米机械振子的理想材料. 基于其制备的石墨烯纳米机械振子有着高谐振频率、高品质因子和谐振频率可调性高等优势, 对于纳米力学的基础研究和应用都具有重要的意义. 本文利用微纳加工工艺(包括电子束曝光、 电子束蒸发镀膜、 反应离子刻蚀和微米级定点干法转移技术)制备了串联石墨烯纳米机械振子样品, 并在极低温下(10 mK) 测量了石墨烯机械振子的机械性质, 实现两个串联石墨烯纳米机械振子的强耦合, 耦合强度为1.34 MHz, 协同系数C = 399.     

氧化石墨制备温度对石墨烯结构及其锂离子电池性能的影响

采用改进的Hummers 法, 以石墨粉为原料制备氧化石墨, 然后使用微波还原法制备石墨烯, 最后以石墨烯作为负极材料组装锂离子电池. 系统的研究了高温氧化阶段中温度对氧化石墨的氧化程度、石墨烯的还原程度和比表面积以及锂离子电池性能的影响. 利用场发射扫描电镜(FESEM)、 X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射仪(XRD)、BET测量仪对氧化石墨和石墨烯的微观结构及比表面积等进行测试和表征. XRD, XPS及电化学测试的结果显示当高温阶段氧化温度为90 °C时, 氧化石墨的氧化程度最高, 相应的石墨烯也具有最高的还原程度和最大的比表面积423.2 m²/g, 同时石墨烯锂离子电池也具有更好的性能: 首次放电比容量为1555.5 mAh/g, 充电容量为1024.6 mAh/g, 其循环放电比容量达到600 mAh/g.     

Fe/Co/Ni-N共掺杂石墨烯氧还原反应活性的DFT研究

为了研究Fe/Co/Ni-N掺杂石墨烯的氧还原反应(ORR)活性,比较单金属原子和氮不同的掺杂方式对石墨烯ORR活性的影响.利用Materials Studio软件建立了Fe/Co/Ni-N掺杂石墨烯模型,然后将氧气分子分别吸附在Fe/Co/Ni-N掺杂石墨烯模型表面上.采用CASTEP模块对构建的模型进行结构优化并模拟计算,分析了Fe/Co/Ni-N掺杂石墨烯的吸附能、脱附能和导电性变化规律.基于模拟计算,发现单金属原子掺杂石墨烯时,Fe掺杂石墨烯的ORR活性优于Co和Ni;单金属原子和氮共掺杂石墨烯时,Fe-N掺杂石墨烯的ORR活性高于Co-N和Ni-N掺杂石墨烯,且M-N₄-G形态的ORR活性优于M-N₁-G、M-N₂-G和M-N₃-G.     

石墨烯与复合纳米结构SiO_2@Au对染料敏化太阳能电池性能的协同优化

染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cells, DSCs)因其制备工艺简单、成本低廉以及优异的光学性质在近年来引起了大家的广泛关注.为了获得更优的光电性能,利用球磨法制备了一系列不同含量纳米结构SiO_2@Au和固定含量石墨烯协同掺杂的复合光阳极薄膜,并制备了相应的DSCs.研究了纳米结构SiO_2@Au和石墨烯联合掺杂对光阳极及其相应DSCs光电转换性能的影响.金纳米颗粒因其局域表面等离子体共振效应能够有效提高DSCs的短路电流密度.而石墨烯作为典型的二维材料,具有较大的比表面积以及高导电性等优异性质,有利于增加薄膜的比表面积.当纳米结构SiO_2@Au和石墨烯协同掺杂至光阳极薄膜内部,且SiO_2@Au掺杂量为1.5%时,相应电池的短路电流密度为15.59 m A·cm–2,光电转换效率为6.68%,相比基于传统纯TiO_2光阳极电池的性能分别提高了15.67%和8.8%.研究表明,基于不同含量复合纳米结构SiO_2@Au和固定量石墨烯共掺的DSCs性能的提高,主要归因于复合纳米结构SiO_2@Au的掺入,其中分布较为均匀的金纳米颗粒作为光学天线可以将光局域到颗粒表面,增强表面电磁场强度,有效增强光与物质的相互作用,优化了染料的光吸收能力,增加薄膜内部光生载流子数量.而石墨烯的引入则改善了光阳极薄膜的比表面积,增加了薄膜整体对染料的吸附量,且石墨烯良好的导电性能加快了光生载流子的传输,两者协同作用实现了DSCs的光电转换性能的优化.     

超高比表面积氮掺杂碳气凝胶的制备及其电化学性能

以间苯二酚和甲醛为反应前驱体, 三聚氰胺为氮源, 通过溶胶-凝胶法制备出氮掺杂碳气凝胶(N-CA), 并对其进行CO2活化后得到活化氮掺杂碳气凝胶(N-ACA), 分别通过扫描电子显微镜、氮吸附、X-光电子能谱和元素分析研究样品的表面形态、孔结构以及含氮官能团的存在形态, 并利用恒流充放电(GV)、循环伏安(CV)、电化学阻抗谱等检测技术评价了其在6 molL-1 KOH电解液中的电化学性能。 实验结果表明: 丰富的孔隙结构和含氮官能团的存在形态是影响碳基电容器性能的决定性因素。 经CO2活化后的N-CA富含较多的的微孔和介孔, 比表面积高达4082 m2g-1, 供电子能力较强的吡咯氮含量有所增加, 在1 mA电流密度下测试的比电容值高达211.9 Fg-1, 经1200次充放电后比电容值保持在98%以上。     

高效荧光碳点的制备及其对金属离子的检测研究

采用氮和硫元素共掺杂的水热法合成了一种发蓝光的碳点.经过一系列的光学和微观结构表征分析,发现氮和硫元素可以通过杂原子掺杂和表面官能团的形式充分参与到碳点中,这决定了所制备的蓝光碳点拥有最高54.27%的量子产率.由于其高效荧光,该碳点可以用作传感探头检测金属离子,且对Ag+和Fe3+具有高灵敏度和选择性,通过Stern-Volmer方程拟合发现,随着离子浓度的变化,两种金属离子不同的淬灭机制和检测极限为在实践中有效检测和区分Ag+和Fe3+提供了一种可行的新方法.     

专题:与硅技术融合的石墨烯类材料及其器件研究

<正>编者按碳是一种神奇的元素.除了大家熟知的钻石,还可以呈现从零维(富勒烯)、一维(碳纳米管)到二维(石墨烯)的稳定结构.这些结构的核心是二维单层石墨片结构,对其基本电子态结构的理论可以追溯到20世纪40年代(Wallace P R 1947 Phys.Rev.71 622).单层石墨片或石墨烯的应用也至少可以追溯到20世纪70年代.单层石墨片作为电镜样品的完美支撑膜,对20世纪七八十年     

微波法制备掺氮碳点及其用作探针检测铁离子

为了研究氮掺杂对纳米碳点荧光发射行为的影响和探索掺氮碳点的快速制备途径,以2-氨基对苯二甲酸为前驱体,与不同的修饰剂一起溶解于去离子水中,经微波辐射3 min,一步法合成了新型掺氮碳点。实验结果表明:制备的掺氮碳点水溶性好,发蓝色荧光,且发射行为不依赖于激发波长;颗粒近似为球形,尺寸5～8 nm,晶面间距为0.23 nm,接近石墨碳(100)面晶格结构;Fe~(3+)通过与掺氮碳点表面含氧基团的络合配位,可有效地猝灭其荧光,Fe~(3+)浓度在5～60μmol·L~(-1)的范围内与相对荧光强度呈现良好的线性关系,检出限约为1.01μmol·L~(-1),可以作为检测Fe~(3+)浓度的荧光探针。     

催化剂对类石墨烯纳米片结构和发光性能的影响

利用热丝化学气相沉积在沉积有碳点和金催化剂层的Si衬底上制备了类石墨烯纳米片。分别用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、显微Raman光谱仪、傅立叶变换红外光谱仪、X光电子谱仪和Ramalog系统对它的结构、组成和发光性能进行了研究。结果表明碳点和金引起了类石墨烯纳米片厚度和缺陷的变化,进而导致了发光带的漂移和发光强度的改变。根据表征结果,分析了类石墨烯纳米片结构的变化引起发光性能改变的原因。     

掺杂三角形硼氮片的锯齿型石墨烯纳米带的磁电子学性质

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了三角形BN片掺杂的锯齿型石墨烯纳米带(ZGNR)的磁电子学特性.研究表明:当处于无磁态时,不同位置掺杂的ZGNR都为金属;当处于铁磁态时,随着杂质位置由纳米带的一边移向另一边时,依次可以实现自旋金属-自旋半金属-自旋半导体的变化过程,且只要不在纳米带的边缘掺杂,掺杂的ZGNR就为自旋半金属;当处于反铁磁态时,在中间区域掺杂的ZGNR都为自旋金属,而在两边缘掺杂的ZGNR没有反铁磁态.掺杂ZGNR的结构稳定,在中间区域掺杂时反铁磁态是基态,而在边缘掺杂时铁磁态为基态.研究结果对于发展基于石墨烯的纳米电子器件具有重要意义.