許超銘 何菊華 劉成周
摘 要:在概述摻雜石墨烯的特性基礎(chǔ)上,概括了摻雜石墨烯的制備方法,簡(jiǎn)單介紹了摻雜石墨烯的能源設(shè)備的應(yīng)用,旨在為進(jìn)一步合理設(shè)計(jì)改性摻雜石墨烯提供有益參考。
關(guān)鍵詞:石墨烯;摻雜;電子態(tài);作用力;能源
中圖分類號(hào):TB332 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ? 文章編號(hào):1003-5168(2021)21-0106-03
Preparation and Application of Doped Graphene in Energy Equipment
XU Chaoming1, 2? ? HE Juhua2? ? LIU Chengzhou3
(1.Guangxi Guigang Financial Investment Development Group Jindun Co., Ltd, Guigang Guangxi 537100;
2. Guangxi Vocational & Technical Institute of Industry, Guigang Guangxi 537100;
3. Shunde BATF Industrial Co., Ltd, Foshan Guangdong 528322)
Abstract: Based on the characteristics of doped graphene, in this paper, the preparations of doped graphene was summarized, and their application in energy equipment was briefly introduced, so as to provide a useful reference for the further rational design of doped graphene.
Keywords: graphene; doping; electron states; force; energy
石墨烯(Graphene)是一種由sp2雜化的碳原子組成的蜂巢狀二維碳納米材料,單層石墨烯薄片僅為0.335 nm,其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予石墨烯神奇的功能,具體表現(xiàn)在:是良好的導(dǎo)電體,電導(dǎo)率可達(dá)106,載流子遷移率是硅的140倍,為2×105 cm2/Vs,同時(shí)還是良好的導(dǎo)熱體,理論導(dǎo)熱系數(shù)為5 300 W/mK,透光性能突出,對(duì)全波段光的吸收率僅為2.3 %,比表面積高達(dá)2 630 m2/g。以上優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)等性能,使其在超強(qiáng)和高導(dǎo)復(fù)合材料、柔性透明導(dǎo)電薄膜、晶體管、傳感器、鋰離子電池和超級(jí)電容器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。石墨烯理論上特點(diǎn)鮮明,優(yōu)勢(shì)突出,實(shí)際上還需對(duì)石墨烯的惰性進(jìn)行轉(zhuǎn)換和調(diào)控,將其理論優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中。目前,仍在努力提升石墨烯及復(fù)合材料的全部潛質(zhì),研究發(fā)現(xiàn)石墨烯的功效可以通過非碳分子或原子摻雜得到迅速優(yōu)化[1]。
大量研究已經(jīng)證實(shí),石墨烯可以與提供或吸引自由電子來改善其性能[2]。因此,向石墨烯引入非碳元素(如氧、硼、氮、磷、硫等)從而改變石墨烯的電子結(jié)構(gòu),進(jìn)而改善石墨烯的電、磁、物理、化學(xué)、光學(xué)和結(jié)構(gòu)性質(zhì),對(duì)實(shí)現(xiàn)石墨烯的應(yīng)用具有重要的社會(huì)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本文概述摻雜石墨烯的制備方法及其在能源設(shè)備的潛在應(yīng)用,為研制石墨烯相關(guān)的功能材料提供參考。
1 摻雜石墨烯的制備方法
摻雜石墨烯的方法主要?dú)w結(jié)為原位法和后處理法。原位法又可細(xì)分為化學(xué)氣相沉積法(CVD)、自下而上的合成方法等。后處理法包含熱退火法、濕化學(xué)法、等離子體法等,以下分別進(jìn)行介紹。
1.1 原位摻雜
1.1.1 化學(xué)氣相沉積法?;瘜W(xué)氣相沉積法屬于原位法,是在制備石墨烯過程中將非碳原子引入到石墨碳中,摻雜過程和石墨烯制備同時(shí)完成。該方法可連續(xù)獲得無缺陷的單層或多層石墨烯。具體操作中,將外來待摻雜原子前驅(qū)體與碳源在反應(yīng)爐反應(yīng),反應(yīng)過程中進(jìn)行摻雜[3]。雜原子與碳源可以源于同種物質(zhì),也可以源自不同物質(zhì)。當(dāng)有幾種不同摻雜元素源時(shí),有可能形成多元素?fù)诫s石墨烯,眾多摻雜元素間通過協(xié)同作用進(jìn)一步提高目標(biāo)石墨烯的性能。
由于B原子及N原子與C原子在元素周期表位置相鄰,因此B、N的原子半徑與C原子相近,較易取代碳原子摻雜到石墨烯中。例如,Ajayan等通過使用甲烷作為C源和氨硼烷(NH3-BH3)作為B、N源合成了B,N雙摻雜石墨烯,研究發(fā)現(xiàn)改變反應(yīng)條件可調(diào)控不同元素的摻雜量[4]。該方法為便捷和可控制備摻雜的石墨烯提供了有益的方案。
1.1.2 自下而上法。自下而上法合成摻雜石墨烯例,反應(yīng)分為三個(gè)步驟:鹵化碳中除去鹵素保留碳;新鍵—CC—和—CB/N—發(fā)生耦合,形成二維六邊形碳簇;進(jìn)一步外延生長(zhǎng)成B,N摻雜石墨烯??刂仆獠侩s原子即可調(diào)控所需的摻雜石墨烯。
1.1.3 球磨法。CVD法制備摻雜石墨烯成本高,只適于少量石墨烯薄膜需要,卻不適于大批量生產(chǎn);自上而下法會(huì)額外引入氧元素。為了滿足大規(guī)模的摻雜石墨烯生產(chǎn)需要且減少氧的引入,研究者開發(fā)了簡(jiǎn)單有效且成本低的球磨法。通過簡(jiǎn)單的機(jī)械化學(xué)反應(yīng)(如球磨)對(duì)石墨進(jìn)行C—C鍵裂解和分層并與摻雜劑反應(yīng),可大量生產(chǎn)石墨烯納米片,所獲得的摻雜石墨烯既保留了良好的結(jié)晶度,又表現(xiàn)出優(yōu)異的電子性能[5]。Jeon等成功地通過球磨法在N2氣氛下合成了氮摻雜石墨烯,引入的氮含量的質(zhì)量百分比達(dá)14.84 %[6]。表征結(jié)果證實(shí)在石墨烯的鋸齒形和扶手椅狀邊緣,生成了含氮的五元吡唑環(huán)及六元噠嗪環(huán),幫助此摻雜石墨烯納米片在諸如水、醇類、DMF和NMP等極性溶劑中分散,拓展應(yīng)用范圍。