石墨烯制备掺杂及其运用

掺氮石墨烯的性质与应用1引言石墨烯是一种理想的二维材料，石墨烯中碳原子的sp2杂化结构使石墨烯具有理想的二维结构，它极大的比表面积(2630 m2/g)1,高热传导性(∼5000 W/mK)2，良好的化学稳定性以及较低成本等使它成为复合材料的理想载体。

目前已得到不同形态的石墨烯，包括二维结构的石墨纳米片(GNSs)3-5、一维结构的纳米条带(GNRs)、零维结构的量子点(GQDs)6,7，GNRs和GNDs的性质可以通过它们的大小和边缘进行调节。

然而，由于石墨烯没有能带间隙8，使得其电导性不能像传统的半导体一样完全被控制，而且石墨烯表面光滑且呈惰性，不利于与其他材料的复合，从而阻碍了石墨烯的应用。

对石墨烯进行功能化——合成石墨烯衍生物、表面官能团化、化学修饰、化学掺杂等,可以实现石墨烯及其相关材料更为广泛的应用9,10。

其中,化学掺杂能够有效地调节其电子结构,改善其物理化学性质,从而优化了石墨稀多方面的性能,具有广阔的应用前景。

由于N原子具有与C原子近似的原子半径,可以作为电子供体以取代的方式对石墨烯进行掺杂,且生成的N掺杂石墨稀表现出诸多优良的性能,如打开能带隙并调整导电类型，改变石墨烯的电子结构11，提高石墨烯的自由载流子密度12，从而提高石墨烯的导电性能和稳定性，增加石墨烯表面吸附金属粒子的活性位等。

在场效应晶体管、传感器、超级电容器、裡离子电池、燃料电池等领域的应用前景十分广阔。

因此,对石墨烯进行N掺杂这项课题,吸引着大批的科研工作者来探索。

通常有两种化学方法合成非金属掺杂石墨烯13-15，一种是取代掺杂，即令sp2构型的C被其它杂原子，如N、B、Si等取代。

另一种是在石墨烯表面吸附气体16，有机分子17或金属分子18实现功能化。

N掺杂石墨烯有四种形态：吡啶 N, 吡咯 N, 石墨 N 和氧化吡啶 N。

吡啶N（N1）和吡咯(N2)在边缘或缺陷处，它们并不增加离域π键的电子数。

石墨N（N3和N4）代替了石墨烯结构中的C，因此增加了离域π键的电子数。

摘要石墨烯是由sp2杂化碳原子构成的一种具有蜂窝状六方点阵结构的二维纳米材料，独特的结构使其具有优异的热学、机械和电学等性能。

因此，研究者对石墨烯未来在纳米电子学、材料科学、凝聚态物理以及低维物理方面的应用产生了广泛的兴趣，但本征石墨烯在电子领域的应用受限于它的零带隙特性，获得带隙在一定范围内可调节的石墨烯显得尤为重要。

为了打开石墨烯的带隙，研究者探索了许多方法，比如剪裁石墨成量子点、纳米带、纳米网格或者把石墨烯铺到特殊的衬底上，其中一个最可行的方法就是通过掺杂来调控石墨烯的电学性质。

本文从石墨烯的结构特性出发，综述了石墨烯的各种制备、表征方法以及应用情况，特别是对石墨烯的制备方法进行了详细的阐述，因为石墨烯的制备质量与产量对其后续的性能研究与应用进展有着直接的影响。

在全面了解了石墨烯的制备、表征和应用之后，本文对石墨烯掺杂的研究进行了分析，重点对氮掺杂石墨烯的制备和应用进展进行了探讨。

最后指出了石墨烯在制备和掺杂方面存在的一些问题和以后的发展方向。

关键词：石墨烯，带隙，掺杂AbstractGraphene, a two-dimensional (2D) network of sp2hybridized carbon atom spacked into hexagonal structure, is a basic building block for graphitic materials of all other dimensionalities. The unique structure yields extraordinary thermal, mechanical, and electrical properties, an enormous effort has been devoted to exploration of its many applications in nanoelectronics, materials science, condensed-matter physics, and low-dimensional physics. However, most electronic applications are handicapped by the absence of a bandgap in the intrinsic material. In the quest to opening and tuning an energy gap in graphene, various approaches have been developed to improve the semiconducting properties, exemplified by forming confined geometries of quantum dots, nanoribbons, and nanomesh, or binding graphene to particular substrates. One of the most feasible methods to control the semiconducting properties of graphene is by doping，which is a process intentionally used to tailor the electrical properties of intrinsic semiconductors.Based on the structure and characteristics of graphene, this paper summarized the preparation, characterization methods and applications of graphene, especially the preparation of graphene is carried on the detailed elaboration, for the quality and yield of graphene on its subsequent performance has a direct influence on its research and application progress. In a comprehensive understanding of the preparation, characterization and application of graphene, in this paper, the graphene doped are analyzed, focusing on preparation and application progress of nitrogen doped graphene. Finally，we points out some problems in preparation and doping of graphene and the development direction of graphene.Key Words: graphene, energy gap, Doping目录摘要 (I)Abstract (II)1 引言 (1)2 石墨烯概述 (2)2.1 石墨烯的结构与基本性质 (2)2.2 石墨烯的制备 (4)2.2.1微机械剥离法 (4)2.2.2化学剥离法 (5)2.2.3外延生长法 (7)2.2.4化学气相沉积法（CVD） (7)2.2.5其它合成方法 (9)2.3 石墨烯的转移技术 (10)2.4 石墨烯的表征 (13)2.5 石墨烯的应用 (14)2.5.1在复合材料方面的应用 (14)2.5.2在电子器件方面的应用 (15)2.5.3在能量存储和转化方面的应用 (15)2.5.4在生物传感器方面的应用 (16)3 掺杂石墨烯研究进展 (17)3.1 石墨烯掺杂研究 (17)3.2 原子（N、B）掺杂石墨烯 (18)3.3 氮掺杂石墨烯的制备 (19)3.4 氮掺杂石墨烯的应用 (19)3.5 氮掺杂石墨烯现存问题 (20)4 展望 (21)参考文献 (22)1引言碳材料无疑是当今纳米材料研究领域的明星。

氮掺杂石墨烯的制备及其在锂硫电池中的应用注意事项
制备氮掺杂石墨烯的注意事项：
1. 原料选择：选择质量良好的石墨烯作为原料进行掺杂，确保石墨烯的纯度和质量。

2. 氮源选择：选择合适的氮源进行掺杂，常用的氮源有氨气、氮气、氧化亚氮等，不同的氮源会对掺杂效果产生影响。

3. 温度控制：控制石墨烯的掺杂温度，通常需要高温进行，但过高的温度可能导致石墨烯结构破坏。

4. 掺杂时间：控制石墨烯的掺杂时间，过长或过短的时间都可能影响掺杂效果，需要根据具体实验情况进行调整。

5. 掺杂过程中的气氛：掺杂过程中需要保持一定的气氛，以保证掺杂反应的进行，避免杂质的进入。

氮掺杂石墨烯在锂硫电池中的应用注意事项：
1. 正确定位：确定氮掺杂石墨烯在锂硫电池中的应用位置，例如作为正极、负极、电解液添加剂或导电剂等。

2. 粒径控制：控制氮掺杂石墨烯的粒径，以适应锂硫电池的电极结构和工艺要求。

3. 电池中其他材料的兼容性：研究氮掺杂石墨烯与电池中其他材料的兼容性，避免产生副反应或材料堆积问题。

4. 循环性能：评估氮掺杂石墨烯对锂硫电池循环性能的影响，包括容量衰减、循环寿命等指标。

5. 安全性评估：评估氮掺杂石墨烯在锂硫电池中的安全性问题，例如热稳定性、热失控等。

半导体物理课程作业石墨烯的制备与应用（材料）目录一、石墨烯概述 (2)二、石磨烯的制备 (3)1、机械剥离法 (3)2、外延生长法 (5)3、化学气相沉积法 (6)4、氧化石墨-还原法 (6)5、电弧法 (9)6、电化学还原法 (9)7、有机合成法 (10)三、石墨烯的应用 (11)1、石墨烯在电子器件领域的应用 (11)1.1 石墨烯场效应晶体管 (11)1.2 石墨烯基计算机芯片 (12)1.3 石墨烯信息存储器件 (13)2、石墨烯在能源领域的应用 (14)2.1 石墨烯超级电容器 (14)2.2 锂离子电池 (15)2.3 太阳能电池 (16)2.4 储氢/甲烷器件 (17)3、石墨烯在材料领域的应用 (18)3.1 特氟龙材料替代物 (18)3.2 石墨烯聚合物复合材料 (18)3.3 光电功能材料 (19)4、石墨烯在生物医药领域的应用 (20)4.1 基于氧化石墨烯的纳米载药体系 (20)4.2 氧化石墨烯对DNA/基因/蛋白的选择性检测 (21)4.3用于生物成像技术 (23)4.4 石墨烯在肿瘤治疗方面的应用 (23)四、总结及展望 (24)参考文献 (25)一、石墨烯概述碳广泛存在于自然界中，是构成生命有机体的基本元素之一。

碳基材料是材料界中一类非常具有魅力的物质，从无定形的碳黑到晶体结构的天然层状石墨；从零维纳米结构富勒烯到一维碳纳米管无不给人们带来炫丽多彩的科学新思路。

而二维碳基材料石墨烯的发现，不仅极大地丰富了碳材料的家族，而且其所具有的特殊纳米结构和性能，使得石墨烯无论是在理论还是实验研究方面都已展示出了重大的科学意义和应用价值，从而为碳基材料的研究提供新的目标和方向。

碳的晶体结构—石墨和金刚石(三维)是自然界中最早为人们熟知的两种碳同素异构体，因化学成键方式不同而具有截然相反的特性。

1985年，一种被称为“巴基(零维)被首次发现，三位发现者于11年后, 即1996年获诺贝尔球”的足球形分子C60化学奖。

氮掺杂石墨烯的制备及其电学性质研究一、引言在当今材料科学领域，石墨烯因其优异的电学性能和透明性表现出了极大的应用潜力。

而石墨烯的氮掺杂，不仅可以改善石墨烯的导电性能，还可以改变其化学性质和表面形态。

因此，氮掺杂石墨烯成为了热门研究领域。

本文将重点介绍氮掺杂石墨烯的制备方法以及其电学性质的研究。

二、制备方法氮掺杂石墨烯的制备方法有很多种，其中常用的有化学气相沉积法、熔融氢硼化物法和热还原法等。

这里，我们着眼于热还原法的制备方法。

热还原法是一种简单易行的方法，它的原理是在高温还原氮掺杂的石墨烯。

在实验室中，首先需要通过化学气相沉积法或机械剥离法制备出单层石墨烯。

接着，在石墨烯表面制备氮化合物，如氨气或氢气和氮气混合气体等。

将样品放在半封闭炉中加热，一般温度在800℃左右，石墨烯表面上的氮化合物将会还原为掺杂石墨烯。

这种方法制备出的氮掺杂石墨烯具有较好的导电性能，同时还具有优异的化学稳定性和电化学性能。

三、电学性质研究氮掺杂石墨烯的电学性质是掺杂的重要部分之一。

通过一系列的实验，发现氮掺杂石墨烯具有较高的电导率和较低的电阻率。

同时，氮掺杂还可以增加石墨烯的顺磁性和局域磁性，从而拓宽了其应用领域。

此外，在储能器件和传感器等方面也具有很好的应用潜力。

比如在电化学传感器中，氮掺杂石墨烯可以实现对多种气体的高灵敏度检测。

在氮掺杂石墨烯的电学性质研究中，还需要关注其在磁场中的表现。

通过实验证明，在磁场作用下，氮掺杂石墨烯的导电性能会发生变化，其电阻率随磁场的增加呈现先增加后减小的趋势。

这种现象是由于氮原子导致分散相变化和自旋极化引起的。

因此，研究氮掺杂石墨烯在外磁场作用下的电学性质，具有重要的理论研究和应用价值。

四、总结本文简要介绍了氮掺杂石墨烯的制备方法和电学性质的研究。

氮掺杂石墨烯因其优异的电学性能和透明性具有广泛的应用前景。

虽然目前还存在一些问题，例如氮掺杂量的控制等问题，但是氮掺杂石墨烯作为一种新型材料，将在未来的研究和应用中显示出更广阔的发展前景。

氮掺杂石墨烯的制备及其电化学性能研究随着电化学技术的发展，石墨烯及其衍生物已经成为了材料科学领域最受瞩目的研究对象之一。

相比普通石墨烯，氮掺杂石墨烯具有更好的电化学性能，因此在电化学催化、光催化、电池等方面具有广泛的应用前景。

本文将着重介绍氮掺杂石墨烯的制备及其电化学性能研究。

一、氮掺杂石墨烯的制备氮掺杂石墨烯的制备方法主要有化学气相沉积（CVD）、氧化石墨烯还原法、溶剂热法、氮气等离子体处理法等。

其中，化学气相沉积是一种常用的方法，通过在高温下，将石墨烯材料与氧化氮等气体接触，可以使石墨烯中的部分碳原子被氮原子替换，形成氮掺杂石墨烯。

而溶剂热法则是利用常用的化合物如尿素，在高温下对氧化石墨烯进行还原，同时实现氮元素的掺杂，从而得到氮掺杂石墨烯。

此外，氮气等离子体处理法也是一种常用的方法，通过将氮气等离子体照射到石墨烯表面，利用空穴效应实现碳原子和氮原子的置换。

二、氮掺杂石墨烯的电化学性能在氮掺杂石墨烯的电化学研究中，最常见的就是将其应用于电化学催化和电池等方面。

以电化学催化为例，氮掺杂石墨烯在电催化中有着广泛的应用前景。

这是因为，相较于普通的石墨烯，氮掺杂石墨烯中存在着大量的氮杂质原子，这些原子能够显著地改变石墨烯的电子结构，促进部分反应的发生。

此外，还有研究表明，氮掺杂石墨烯还能够作为电池正/负极材料，嵌入/脱嵌锂离子，显示出了在电池领域的广泛应用潜力。

另外，氮掺杂石墨烯的电化学性能也在其他领域得到了广泛应用。

例如，将其应用于光催化领域中，研究表明，氮掺杂石墨烯与铁离子等材料复合后，可作为一种高效的光催化剂，对有机污染物有着良好的催化降解效果。

此外，还有部分研究表明，氮掺杂石墨烯可以应用于超级电容器领域等。

三、氮掺杂石墨烯的应用前景和挑战综上所述，氮掺杂石墨烯作为一种新型的二维材料，在电化学领域具有广泛的应用前景。

尽管其在电化学催化、电池等方面已经取得了一些进展，但是仍面临着许多挑战。

例如，其制备过程中存在着实现氮元素掺杂效率低、材料稳定性差等问题，同时在应用过程中，其与其他金属材料复合的性能优劣仍存在争议。

功能化石墨烯的制备及应用石墨烯是一种由碳原子组成的一层厚的二维结构材料，具有高导电性、高导热性、超高比表面积、良好的机械性能和化学稳定性等优异特性，因而成为材料领域研究的热点和前沿。

为了实现石墨烯的工业化应用，需要针对其性质进行各种功能化修饰。

因此，本文将着重讨论以石墨烯为原材料的功能化修饰技术和应用。

一、石墨烯的制备技术石墨烯的制备技术可以分为机械剥离法、化学气相沉积法、化学还原法、物理气相沉积法和氧化石墨烯还原法等多种方法，其中机械剥离法和化学气相沉积法的应用最为广泛。

机械剥离法是将石墨材料通过力学剥离的方式制备石墨烯。

这种方法成本低廉，制备出的石墨烯品质较好，但是缺点也很明显，即杂质杂质多，生产成本高。

化学气相沉积法是利用金属或者金属化合物的催化作用，在高温的条件下将碳源分子分解产生石墨烯。

这种方法制备的石墨烯质量较好，生产效率也比较高，但是都要在特定高温高压及真空的条件下进行，对设备和技术要求较高。

二、石墨烯的功能化修饰技术石墨烯的功能化修饰主要是指针对石墨烯表面进行不同的化学修饰，以改变石墨烯的物理、化学性质。

主要包括氧化、还原、功能化、掺杂等多种方法。

1. 氧化石墨烯：将石墨烯表面的碳与氧作用结合，形成氧化石墨烯。

石墨烯的氧化可以在其表面形成和羟基、羧基、酮基等官能团，可以提高石墨烯与其他化学物质的响应性，也降低了其电导率。

氧化石墨烯的制备简单，但是对于石墨烯的电导性能和结构有一定的影响。

2. 还原石墨烯：将氧化石墨烯进行还原，可以恢复石墨烯的电学性质。

还原石墨烯还可以在石墨烯表面引入被还原的杂原子，进而实现对石墨烯各种性质的修饰。

3. 功能化石墨烯：通过引入不同的官能团和分子可以实现石墨烯的功能化。

功能化的目的是在石墨烯的表表面引入各种化学结构，改变石墨烯的性质，如增强机械性能、改变热学性质等。

常用官能团有COOH、OH、NH2等。

4. 掺杂石墨烯：通过引入异型原子或者化合物到石墨烯中实现对石墨烯的掺杂修饰，进而改变其电学性质、光学性质、磁学性质等。

石墨烯的改性原理及应用1. 石墨烯简介石墨烯是一种碳原子排列成六角形的二维材料，具有极高的导电性、导热性和机械强度。

由于其独特的性质，石墨烯被广泛研究，并在各个领域展现出巨大的应用前景。

2. 石墨烯的改性原理石墨烯的改性是通过对其进行化学或物理处理来改变其性质，以满足特定的应用需求。

常见的石墨烯改性方法有：•氧化改性：将石墨烯与氧化剂接触，引入氧原子，形成氧化石墨烯（GO）。

氧化石墨烯具有较好的亲水性和分散性，可用于制备复合材料、传感器等。

•氮化改性：通过氮化剂与石墨烯反应，使石墨烯表面富集氮原子。

氮化石墨烯具有较高的导电性，可用于电子器件和催化材料等领域。

•掺杂改性：将其他元素或化合物引入石墨烯晶格中，如硼、硅、硫等。

掺杂石墨烯具有特殊的性能，可用于能源存储、催化反应等领域。

3. 石墨烯的应用领域石墨烯的独特性质使其在许多领域都有广泛应用的潜力。

3.1 电子器件石墨烯具有高电子迁移率和优异的导电性能，使其成为下一代电子器件的理想候选材料。

石墨烯场效应晶体管、石墨烯集成电路等已成为研究的热点。

3.2 传感器由于石墨烯的高度灵敏和优异的电子性能，石墨烯传感器在化学传感、生物传感、环境监测等领域具有广泛的应用前景。

石墨烯传感器可以高效地检测微量物质，并具有高灵敏度和高选择性。

3.3 储能材料由于石墨烯的高表面积和良好的电导率，石墨烯被广泛应用于锂离子电池、超级电容器等储能装置中。

石墨烯在储能领域具有很高的应用潜力，可以提高储能装置的能量密度和循环寿命。

3.4 催化材料石墨烯作为催化剂载体具有优异的催化性能。

通过改变石墨烯的结构和表面改性，可以调控其对反应物的吸附性能和催化活性，用于催化合成、能源转换和环境保护等领域。

3.5 填料材料石墨烯具有优异的机械性能和导电性能，可用于制备高性能复合材料。

将石墨烯添加到聚合物、金属或陶瓷基质中，可以显著改善材料的力学性能、导电性能和热稳定性，提高材料的综合性能。

材料科学行业中石墨烯制备技术的使用中常见问题石墨烯是近年来在材料科学领域备受关注的一种材料，其独特的结构和性能使其具有广泛的应用潜力。

然而，在石墨烯制备技术的使用过程中，常常会遇到一些问题。

本文将就材料科学行业中石墨烯制备技术的使用中常见问题进行分析和解决。

问题一：石墨烯的制备过程复杂且困难，如何提高制备效率？石墨烯的制备过程常常涉及到高温、高压等条件，对实验条件的控制要求较高。

为了提高制备效率，可以从以下几个方面着手：1. 优化前驱体材料：选择高纯度的石墨作为前驱体材料，避免掺杂杂质的影响。

同时，控制石墨的层状结构，以便提高制备石墨烯的效率。

2. 改进制备方法：传统的石墨烯制备方法包括机械剥离法、化学气相沉积法等。

可以尝试引入新的制备方法，如化学还原法、热解法等，以提高制备效率。

3. 优化实验条件：合理调节反应温度、压力、反应时间等参数，可以提高制备过程中的效率和稳定性。

此外，合理设计催化剂的配比和使用量，也能够显著影响制备效率。

问题二：石墨烯的结晶度和质量如何评价？石墨烯的结晶度和质量对其性能产生重要影响，因此评价石墨烯的结晶度和质量成为了制备过程中的关键问题。

1. 结晶度评价：常用的评价石墨烯结晶度的方法包括拉曼光谱、透射电子显微镜等。

拉曼光谱可以分析石墨烯的层状结构，并确定材料中石墨烯的存在与否。

透射电子显微镜可以观察到石墨烯的原子结构和层状堆叠情况。

2. 质量评价：常用的评价石墨烯质量的方法包括扫描电子显微镜、透射电子显微镜等。

扫描电子显微镜可以观察石墨烯的形貌和分布情况，透射电子显微镜可以观察其原子结构和缺陷情况。

问题三：石墨烯制备过程中如何控制缺陷的产生？石墨烯的缺陷对其性能产生重要影响，因此控制缺陷的产生成为石墨烯制备过程中的一项关键任务。

1. 优化制备条件：适当调节石墨烯的制备温度、反应时间等参数，可以减少缺陷的产生。

应选择适当的催化剂和前驱体材料，以减少生成缺陷的机会。

2. 合理设计制备方法：选择适合自己实验条件的制备方法，以减少缺陷的产生。

石墨烯纳米复合材料的制备及应用随着材料科学技术的不断发展，石墨烯这种特殊材料被越来越多地应用于诸如高强度材料、高导电材料、高热导材料等领域。

但是石墨烯纯粹的形态在某些领域中不一定能够满足要求，因此需要与其他材料结合起来形成复合材料，以期获得更好的性能。

本文将介绍石墨烯纳米复合材料的制备方法及其应用。

一、石墨烯纳米复合材料制备方法1.机械混合法这是一种较为简单的制备方法，将石墨烯和其他纳米材料一起经过机械混合后再进行压制成材料。

但是这种方法难以获得优秀的分散效果和界面相容性，因此在性能方面存在局限。

2.沉积法这是一种常见的制备方法，通过将纳米材料分散在溶液中，然后将石墨烯沉积在纳米材料上面。

这种方法可以获得较好的分散效果和界面相容性，但是需要进行复杂的前处理和后处理过程。

3.化学还原法这种方法通过化学反应来制备石墨烯纳米复合材料。

将还原剂与石墨烯和其他纳米材料混合，利用还原剂产生的化学反应来将石墨烯还原，然后与其他纳米材料结合形成材料。

这种方法具有优秀的分散效果和界面相容性，制备操作简单，成本低廉，因此被广泛应用。

二、石墨烯纳米复合材料的应用及优势1.高强材料石墨烯具有优秀的强度和刚度，而与其他材料结合可以进一步提高强度。

例如，与纳米碳管混合的石墨烯可以形成更加坚韧且抗弯曲的材料，因此可以应用于强度要求较高的结构材料中。

2.高导电和高热导材料石墨烯本身具有优秀的导电和热导性能，当与其他材料结合可以形成具有更高导电和热导性能的材料。

例如，与金属纳米颗粒混合的石墨烯可以形成高效的热界面材料，用于导热和散热。

3.吸附材料石墨烯和其他纳米材料结合可以形成高效的吸附材料，例如，与氧化镁纳米颗粒混合的石墨烯可以应用于吸附有机污染物的处理。

4.传感器石墨烯和其他纳米材料结合可以形成高灵敏、高精度的传感器，例如，与金属纳米颗粒混合的石墨烯可以应用于制备高灵敏的压力传感器。

综上所述，石墨烯纳米复合材料可以应用于很多领域，具有优良的性能和广阔的应用前景。