氮掺杂石墨烯的制备及氧还原电催化性能.doc

------------------------------------------------------------------------------------------------ ——————————————————————————————————————氮掺杂石墨烯的制备及氧还原电催化性能 V01 . 34高等学校化学学报No . 42013年4月CHE MICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSI TIES800 — 805 doi: 李静,王贤保,杨佳,杨旭宇,万丽(湖北大学材料科学与工程学院, 教育部功能材料的绿色制备与应用重点实验室,武汉430062) 摘要采用两步热解法, 用尿素掺杂氧化石墨烯( GO ) 得到N掺杂的还原氧化石墨烯(N — RGO ) ,通过控制反应温度,(TEM)和扫描电子显微镜( SEM ) 结果显示, 制得的氮掺杂石墨烯( nG ) (XPS)证明,氮元素以吡啶N、吡咯N和石墨化的N3种形式掺杂在石墨烯中,%.通过循环伏安(CV)和旋转圆盘电极(RDE)测试了nG的电化学性能,结果表明, 在酸性电解质中对氧还原(ORR)有较高的催化活性, 起始电位在0 . 1V左右, 电催化还原氧气时主要为四电子反应,且相对商用的Pt/C催化剂有更好的电化学稳定性, 其中第一步热解温度为200 ℃制得的nG催化性------------------------------------------------------------------------------------------------ ——————————————————————————————————————能最好. 关键词N掺杂石墨烯;尿素;热解;氧还原反应;电催化剂中图分类号0613;0646文献标志码A 石墨烯是碳原子以sp2杂化呈蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体¨J, 其表现出优异的电学、光学、热和机械性能旧~ . 通过化学∞' 刊或者物理方法‘ 8o将石墨烯进行修饰或改性可以改善石墨烯的性质, 拓宽石墨烯的应用领域一“ 1I . 其中, 化学掺杂是调整和研究石墨烯性质的一种非常重要且有效的途径¨2“ 4| . 石墨烯中掺杂其它化学元素可以调整其电子学性能和拓宽能隙, 其中硼(B) 和氮(N) 是研究最多的碳材料的掺杂元素, 分别为P型和n型掺杂¨ 卜17o . Yu等。 18 。研究了B和N在石墨烯中掺杂位置对其电子特性的影响, Panchakarla等¨9。则采用不同方法合成了B和N掺杂的石墨烯. 掺杂的N原子会影响c原子的自旋密度和电荷分布, 导致石墨烯表面产生“活性位点” f20I . 这些活性位点可以直接参与催化反应, 如氧还原( ORR ) 和固定金属纳米粒子反应. 此外, N原子掺杂在单层石墨烯中, 其费米能级移动到狄拉克点之上旧l , 22I , 费米能级附近的态密度被抑制心3 ,川, 进而打开导带和价带之间的禁带, 使其可以应用在半导体器件中, Wan g等∞纠制备出了可在室温条件下运行的n型石墨烯场效应晶体管(FET ) .不仅如此,N掺杂石墨烯还可以应用在电池、传感器和超级电容器中[26-29 ]. 目前, 氮掺杂石墨烯( riG ) 的合成方法主要有直流电弧法口------------------------------------------------------------------------------------------------ —————————————————————————————————————— 0|,化学气相沉积(CVD ) 。24I,溶剂热或水热反应∞1’ 321,在氨气氛围中热处理还原氧化石墨烯(RGO ) 。33'3 4J , 以及热固相反应|35I等. 直流电弧法需要特殊的仪器设备和严密的条件控制;CVD制备nG中N的前驱体一般是有毒的N H, 或吡啶. 相比之下, 热固相反应是一种简捷、高效的制取nG的方法,Mou等口叫通过加热氧化石墨烯和尿素获得了N掺杂石墨烯,且研究了其反应机理,但并未对其性能和应用进行报道. 氧还原反应( ORR ) 在燃料电池和其它电化学器件中非常重要. 最近,大量的研究工作都致力于开发高效且低成本的ORR电催化剂,包括非金属碳纳米材料(碳纳米管、石墨烯等) .因此,nG作为一种特殊的碳材料也被应用在ORR电催化剂领域中. 本课题组在石墨烯的制备。 3卜40I 、修饰MI ' 42o及应用领域4n4列进行了大量的研究. 在此基础上, 本文选用低成本的工业原料