孔麗蓉++沈小平

摘 要： 本文設(shè)計(jì)了一個(gè)開(kāi)放式化學(xué)實(shí)驗(yàn)：利用尿素和葡萄糖為原料，表面活性劑P123為造孔劑，通過(guò)兩步熱處理法制得多孔氮摻雜石墨烯，利用掃描電鏡、X射線衍射、紅外光譜和拉曼光譜等表征手段對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行組成和結(jié)構(gòu)的表征，同時(shí)利用電化學(xué)表征技術(shù)對(duì)材料的儲(chǔ)能性質(zhì)進(jìn)行研究。本實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生了解碳材料的常規(guī)合成方法、掌握化學(xué)產(chǎn)物的常用表征手段和電化學(xué)儲(chǔ)能性質(zhì)的研究方法等。本實(shí)驗(yàn)結(jié)合科技前沿領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并綜合有機(jī)化學(xué)與分析化學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，有利于增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能并培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞： 開(kāi)放式化學(xué)實(shí)驗(yàn) 熱處理 氮摻雜石墨烯 儲(chǔ)能性質(zhì)

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在化學(xué)教學(xué)中占有重要地位，它不僅應(yīng)讓學(xué)生掌握基本的實(shí)驗(yàn)知識(shí)和技能，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并有效分析和解決問(wèn)題的能力。此外，通過(guò)啟發(fā)性的教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新型的思維模式是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要目的之一。開(kāi)放式化學(xué)實(shí)驗(yàn)不同于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)“照方抓藥”的教學(xué)模式，它讓學(xué)生選擇感興趣的研究課題，指導(dǎo)老師協(xié)助設(shè)計(jì)和制訂可行方案，這樣可以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。此外，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，由學(xué)生自行對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析整理，得出結(jié)論，并鼓勵(lì)其提出具有創(chuàng)新性的改進(jìn)想法。通過(guò)這種方式，培養(yǎng)學(xué)生處理數(shù)據(jù)、積極思考解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新性的思維模式。

氮摻雜石墨烯獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成使其不僅具有優(yōu)異的導(dǎo)電性質(zhì)和較大的理論比表面積[1]，還具有優(yōu)異的法拉第電容特性[2]，因此有望在超級(jí)電容器或電池的研究中取代傳統(tǒng)的電極材料，制備具有更高比電容和比能量的儲(chǔ)能設(shè)備。在實(shí)際應(yīng)用中，由于氮摻雜石墨烯層間存在很強(qiáng)的π-π相互作用，導(dǎo)致其實(shí)際比表面積遠(yuǎn)小于理論比表面積，從而限制它電容性質(zhì)的提高。本實(shí)驗(yàn)以尿素和葡萄糖為原料，表面活性劑P123為造孔劑，制備多孔氮摻雜石墨烯材料。產(chǎn)物的多孔結(jié)構(gòu)可以有效地提高其雙電層電容，氮摻雜又可以有效地提高其法拉第電容，因此用其作為超級(jí)電容器的電極材料，可以獲得具有高比電容和高比能量的超級(jí)電容器。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)尿素、葡萄糖和表面活性劑P123的混合物進(jìn)行兩步熱處理得到產(chǎn)物。通過(guò)掃描電鏡、X射線晶體衍射、傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜和拉曼光譜等實(shí)驗(yàn)表征手段對(duì)產(chǎn)物的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。此外，我們通過(guò)將產(chǎn)物負(fù)載到泡沫鎳電極載體上，并在三電極體系中，用電化學(xué)工作站對(duì)其進(jìn)行循環(huán)伏安測(cè)試和充放電測(cè)試，表征其電化學(xué)儲(chǔ)能性質(zhì)。對(duì)多孔氮摻雜石墨烯材料的研究，有望為提高超級(jí)電容器的電化學(xué)儲(chǔ)能性質(zhì)提供新的解決方案。

1.實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)試劑和儀器

分析純的尿素、葡萄糖和表面活性劑P123均購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，且使用前均未經(jīng)過(guò)進(jìn)一步純化。產(chǎn)物表征分別在掃描電鏡（日本電子公司，JSM-6480）、X-射線衍射儀（德國(guó)布魯克公司，SMARTAPEXⅡCCD）、傅里葉轉(zhuǎn)換紅外分光光度儀（美國(guó)ThermoNicolet公司，NicoletNexus470）、拉曼光譜儀（法國(guó)JY公司，JYHR800）上進(jìn)行。電化學(xué)性質(zhì)使用上海辰華的CHI 760D電化學(xué)工作站進(jìn)行測(cè)試。

1.2產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)表征

采用掃描電鏡對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行微納米形貌表征，采用X-射線衍射對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)的表征，采用傅里葉紅外光譜和拉曼光譜對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行化學(xué)組成的表征。紅外光譜測(cè)試通過(guò)使用溴化鉀壓片，在400-4000 cm-1范圍內(nèi)掃描得到。拉曼光譜在1000-2500 cm-1范圍內(nèi)掃描得到。

1.3多孔氮摻雜石墨烯的制備

將10g尿素、0.5g葡萄糖和0.4g表面活性劑混合研磨半小時(shí)后，放入坩堝中，加蓋后置于馬弗爐中，以5°C/min的升溫速率升溫至550°C，并保溫三小時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后經(jīng)自然降溫得到g-C■N■層狀材料。接著將得到的產(chǎn)物置于瓷舟中，在管式爐中于氮?dú)鈿夥障?，?°C/min的升溫速率升溫至800°C并保溫一小時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后經(jīng)自然降溫得到多孔氮摻雜石墨烯材料。

1.4產(chǎn)物的電化學(xué)性質(zhì)研究

將8mg多孔氮摻雜石墨烯、1mg乙炔黑、0.1mL聚偏氟乙烯溶液（10mg/mL）混合并進(jìn)行均勻研磨后，涂到泡沫鎳載體上。將涂覆活性材料后的泡沫鎳片在60°C烘箱中進(jìn)行干燥，完全烘干后經(jīng)壓制得到電極片。將制得的電極片作為工作電極，鉑片電極為對(duì)電極，飽和甘汞電極為參比電極，在3mol/L的氫氧化鉀溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安測(cè)試和電化學(xué)充放電測(cè)試，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算后得到產(chǎn)物的比電容。比電容的計(jì)算公式如下：C=IΔt/mΔV，其中I為電流，ΔV為電壓，Δt為放電時(shí)間，m是電極中活性物質(zhì)（多孔氮摻雜石墨烯）的質(zhì)量。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

通過(guò)X-射線衍射、紅外光譜和拉曼光譜表征可以證明合成的產(chǎn)物為氮摻雜石墨烯材料。通過(guò)掃描電鏡表征發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物具有多孔的層狀堆積結(jié)構(gòu)。產(chǎn)物的電化學(xué)性質(zhì)表征證明：和未加表面活性劑制得的氮摻雜石墨烯相比，多孔氮摻雜石墨烯具有更高的比電容和比能量，說(shuō)明表面活性劑P123可有效提高產(chǎn)物的孔隙率和比表面積，從而提高其比電容和比能量等電化學(xué)儲(chǔ)能性質(zhì)。

學(xué)生通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的文獻(xiàn)調(diào)研、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和具體操作，可以掌握有關(guān)超級(jí)電容器電極材料的相關(guān)知識(shí)，熟悉電子天平等設(shè)備的使用，并學(xué)會(huì)樣品常規(guī)合成方法中的煅燒法；通過(guò)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行各種結(jié)構(gòu)和組成表征，可以掌握掃描電鏡、X-射線衍射、紅外光譜和拉曼光譜的基本測(cè)試原理和方法。最后通過(guò)計(jì)算并討論研究如何進(jìn)一步提高產(chǎn)物的比電容，還可以鍛煉學(xué)生的數(shù)據(jù)處理和分析能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

熱處理法是制備功能材料的一種簡(jiǎn)單優(yōu)異的合成方法，使用此方法可以合成結(jié)構(gòu)多樣且具有功能性的新型無(wú)機(jī)和有機(jī)材料。在本實(shí)驗(yàn)中，我們通過(guò)兩部熱處理法合成的氮摻雜石墨烯具有可控的多孔結(jié)構(gòu)和較高的氮摻雜量，作為超級(jí)電容器的電極能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)能性質(zhì)。設(shè)計(jì)該開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的目的在于讓學(xué)生了解超級(jí)電容器電極材料的基本種類及碳電極材料的最新科研成果，掌握基本的制備方法和表征手段，提高分析處理數(shù)據(jù)的能力，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)中的創(chuàng)新思維能力，為學(xué)生將來(lái)從事與科研相關(guān)的工作打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Ling Z，Wang ZY，Zhang MD，Yu C，Wang G，Dong YF，Liu SH，Wang YW，Qiu JS.Sustainable synthesis and assembly of biomass-derived B/N co-doped carbon nanosheets with ultrahigh aspect ratio for high-performance supercapacitors[J].Adv. Funct. Mater，2016，26，111-119.

[2]Lin TQ，Chen IW，Liu FX，Yang CY，Bi H，Xu FF，Huang FQ.Nitrogen-doped mesoporous carbon of extraordinary capacitance for electrochemical energy storage[J].Science，2015，350：1508-1513.

致謝：江蘇大學(xué)高級(jí)人才啟動(dòng)基金（No.15JDG025）。