氮掺杂石墨烯作为锂离子电池负极材料的电化学性能

第7卷第6期

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中国科技论文CHINA SCIENCEPAPER

2012年6月

氮掺杂石墨烯作为锂离子电池负极材料

的电化学性能

高云雷，赵东林，白利忠，张霁明，孔 莹

（北京化工大学碳纤维及功能高分子教育部重点实验室，北京 100029）

摘 要：以天然石墨为原料，通过氧化、快速热膨胀和超声分散制备石墨烯。将氧化石墨与三聚氰胺在氮气下950 ℃反应合成氮掺杂石墨烯。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)以及红外光谱(FTIR)、X射线能谱(XPS)等测试方法对氮掺杂石墨烯的形貌、结构进行分析。结果表明，该方法合成了薄层状氮掺杂石墨烯。

采用恒流充放电和循环伏安法等手段测试氮掺杂石墨烯、石墨烯和天然石墨作为锂离子电池负极材料的电化学性能，比较研究了三者用作锂离子电池负极材料的电化学性能，结果表明氮掺杂石墨烯负极材料具有优异的电化学能和独特的储锂机制。

关键词：氮掺杂石墨烯；石墨烯；锂离子电池；负极材料；电化学性能

中图分类号：O613.71；O646文献标志码：A 文章编号：2095－2783(2012)06－0413－5

Electrochemical performance of nitrogen-doped graphene as anode

material for lithium ion batteries

Gao Yunlei，Zhao Donglin，Bai Lizhong，Zhang Jiming，Kong Ying

(Key Laboratory of Carbon Fiber and Functional Polymers, Ministry of Education,

Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)

Abstract: Graphene sheets (GSs) have been prepared from natural flake graphite by oxidation, rapid expansion and ultrasonic treatment. Graphene oxide (GO) was further annealed at the presence of melamine at 950 ℃ and transferred into nitrogen-doped grapheme (N-GSs). The samples were characterized via scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Electrochemical performances of nitrogen-doped graphene, graphene and graphite as anode materials for lithium ion batteries were investigated using galvanostatic charge-discharge and cyclic voltammetry methods. It was found that the prepared N-GSs exhibited a relatively higher cycling stability and larger specific capacity compared with the pristine nature graphite and GSs. Cyclic voltammograms results indicate that the higher cycling stability may be associated with more structural defects during cycling.

Key words: nitrogen-doped graphene；graphene；lithium ion batteries；anode material；electrochemical properties

收稿日期：2012-02-28

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50672004)；国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2008AA03Z513)

作者简介：高云雷(1986－)，男，硕士研究生，主要研究方向：锂离子电池负极材料

通信联系人：赵东林，教授，主要研究方向：新型炭材料及其应用，dlzhao@https://www.sodocs.net/doc/8810114968.html,

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随着科学技术和社会经济的不断发展，化石燃料不断被开发利用而日渐枯竭，引发一系列的生态和环境问题[1]。这些问题严重地威胁着人类的生存和发展，因此开发新能源是各国亟待解决的问题。锂离子电池具有高能量、无环境污染和寿命长等特点，被广泛应用于便携式电子设备和移动交通中[2-4]。负极材料是锂离子电池的关键部件，直接影响着锂离子电池的比容量。目前商业化的锂离子电池负极材料主要是石墨[5]。但是石墨材料的比容量较低，在充放电过程中会导致三维晶体结构的破坏而使容量衰减。石墨烯是一种新型碳材料，具有优异的电学性能和大的比表面积，其大量存在的边缘位点和缺陷非常适合Li+存储[6]。近期的研究工作表明石墨烯在锂离子电池领域具有广阔的应用前景[7-8]。但是石墨烯材料首次库伦效率较低，并且在充放电过程中衰减较快，这严重制约了其在锂离子电池领域的应用。一些研究结果表明，在石墨烯中掺杂异质元素可改善石墨烯的物理性能和电化学性能[9]。在石墨烯结构中掺杂N或B 等元素已经成为研究石墨烯负极材料的全新方向，目前已取得一系列进展[10-11]。Li等[12]采用化学气相沉积法，在1 050 ℃条件下使NH3与石墨烯进行反应制备出氮掺杂石墨烯具有较好的循环性能。笔者通过Hummers法制备出高质量的氧化石墨，将氧化石墨与三聚氰胺在氮气氛保护下，950 ℃反应0.5 h，超声处理得到氮掺杂石墨烯；以石墨烯作为负极活性物质组装成扣式电池，并对氮掺杂石墨烯的结构和电化学性能进行分析。

1实验部分

1.1氮掺杂石墨烯材料的制备

采用改进的Hummers法合成氧化石墨。首先在冰浴中装配好1 000 mL的烧杯，加入适量的浓硫酸(AR)，磁力搅拌下加入1 g天然石墨粉、0.5 g硝酸钠(AR)和3 g高锰酸钾(AR)，搅拌一段时间后，升温至35 ℃后向混合物中加入100 mL去离子水，继续升温至98 ℃，加入10 mL双氧水(AR)，过滤并洗涤得到氧化石墨。将氧化石墨与三聚氰胺(AR)按照质量比3∶2混合后加入到100 mL的乙醇(AR)溶液中，搅拌5 h；加热煮沸溶液除去乙醇，然后在120 ℃真空干燥箱中干燥6 h。将样品置于管式炉中，在N2气保护条件下加热至950 ℃，升温速率为5 ℃/min，反应时间0.5 h。将体系的温度降至室温，用煮沸的去离子水反复过滤样品，超声处理20 h得到氮掺杂石墨烯复合材料。

1.2材料的表征和测试

采用X射线衍射仪(2500VB2+/PCX型)、X射线光电子能谱(ESCALAB250型)和红外光谱(Nicolet Nexus 670)对样品的结构和成分进行分析；通过扫描电子显微镜(S-4700)和透射电子显微镜(H-800)对氮掺杂石墨烯的微观结构进行表征。

以N-石墨烯为活性物质，乙炔为导电剂，聚偏氯乙烯为黏结剂，按照质量比8∶1∶1在研钵中混合均匀涂敷到泡沫镍上制备电极片。以锂片为对电极在充满惰性气体的手套箱中组装实验扣式电池[5]。使用Land电池测试仪和V ersa STA T3型电化学工作站测试电极材料的电化学性能并对其储锂机理进行分析。

2结果与讨论

2.1形貌和结构分析

图1是氮掺杂石墨烯的形貌图。从SEM图中可以观察到样品呈薄纱状，片层相互折叠并且在边缘出现卷曲，这是石墨烯的结构特征[13-14]。在TEM图中可以观察到样品层叠到一起，并且可观察到褶皱的存在，这是因为维持氮掺杂石墨烯二维结构需要片层弯曲来缓解材料中的应力。

(a)

(b)

图1氮掺杂石墨烯的SEM图(a)和TEM图(b)

Fig. 1SEM (a) and TEM (b) images of N-GSs

进一步研究氮掺杂石墨烯的结构，图2给出了天然石墨(a)、氧化石墨(b)、石墨烯(c)和氮掺杂石墨烯(d)的XRD图。从曲线2(a)可以看出，石墨在2θ约为26.5°出现(002)特征衍射峰，说明石墨原料晶体结构非常规整。图2(b)中可以观察到氧化石墨衍射特征峰，氧化过程制备出纯度较高的氧化石墨烯。石墨烯的XRD图谱中可以看到微弱的特征峰，膨胀还原脱去了氧化石墨中

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的含氧官能团，使石墨烯具有短程有序结构。与石墨烯相比氮掺杂石墨烯的有序化程度进一步提高，这是因为N元素的存在修复晶体材料的缺陷，形成部分有序结构。这种结构上的差异会进一步影响到材料的电化学性能。

图2天然石墨(a)、氧化石墨(b)、石墨烯(c)和氮掺杂石墨

烯(d)的XRD图

Fig. 2XRD patterns of the NG (a), GO (b), GSs (c) and

N-GSs (d)

图3为三聚氰胺(a)、氧化石墨(b)和氮掺杂石墨烯(c)的红外光谱。从3(a)和3(b)中可以观察到三聚氰胺和氧化石墨中存在着大量的特征基团；经过化学反应两者中大部分含氧基团被脱去而形成含有N元素的石墨烯。在图3(c)中1 225 cm－1处为未完全脱去的C—OH键，1 565 cm－1处的吸收峰证明C==C键的存在[15]。由此可见，氧化石墨与三聚氰胺通过化学反应脱去了氧化石墨中的含氧官能团，同时在碳层中掺杂了N元素[16]。图4 XPS图谱进一步说明了生成产物中含有N元素，N1s可分裂3个峰，峰值分别为398.2 eV、399.1 eV和401.2 eV。这对应3种类型的含氮结构材料，即吡啶型氮化物、吡咯型氮化物以及N取代形成的石墨状化合物[12]。

图3三聚氰胺(a)、氧化石墨(b)和氮掺杂石墨烯(c)的红外光谱Fig. 3FT

-IR spectra of melamine (a), GO (b) and N-GSs (c)

(a)

(b)

图4氮掺杂石墨烯的能谱图(a)和N1s分峰图(b) Fig. 4XPS spectra of N-GSs (a) and N1s fitting for N-GSs (b) 2.2电化学性能分析

图5为氮掺杂石墨烯电极在0.2 mA/cm2电流密度下前3次充放电比容量曲线。氮掺杂石墨烯的首次充电容量461 mAh/g，可逆容量365 mAh/g。氮掺杂石墨烯具有较宽的充放电电压区间，在0.2~1.0 V之间存在着变化缓慢的充放电平台。首次的充放电曲线与后续过程中的曲线不同，这是因为锂离子电池的首次充放电伴随着SEI膜的形成[17]，首次过后充放电曲线基本重合，表现出稳定的电化学性能。

图5氮掺杂石墨烯电极前3次充放电曲线

Fig. 5The previous three discharge-charge curves of N-GSs

electrodes

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(a)

(b)

(c)

图6天然石墨(a)、石墨烯(b)和氮掺杂石墨烯(c)电极循环

伏安曲线

Fig. 6Cyclic voltammograms of NG (a), GSs (b) and

N-GSs (c) electrodes

天然石墨(a)、石墨烯(b)和氮掺杂石墨烯(c)的循环伏安曲线如图6所示。天然石墨在0~0.2 V出现明显的氧化还原峰说明石墨负极的脱/嵌锂反应只发生在低电位。石墨烯在锂离子嵌入/脱出过程中没有明显形成层间化合物的电压平台，而是表现出渐升渐降的电化学特征。氮掺杂石墨烯的循环伏安曲线在低电位也有氧化还原峰出现，但氧化还原峰的变化趋势缓慢，说明其有较宽的嵌锂电压区间，这与首次充放电的结果相符。其中首次的充放电过程中与后续的过程不同，说明在形成SEI膜过程中对Li+的消耗。首次充放电完成之后，氮掺杂石墨烯的循环伏安曲线的重合性更好，这说明经过首次充放电后，氮掺杂石墨烯表现出更稳定的电化学性能。

图7给出了天然石墨(a)、石墨烯(b)和氮掺杂石墨烯(c)作为锂离子电池负极材料在0.2 mA /cm2和1 mA/cm2电流密度下的循环性能。氮掺杂石墨烯电极在电流密度0.2 mA/cm2条件下，首次可逆容量(365 mAh/g)明显优于天然石墨(322 mAh/g)，低于石墨烯(1 000 mAh/g)，但是在后续充放电过程中容量几乎不发生衰减，表现出极高的循环稳定性。在1 mA/cm2电流密度下，氮掺杂石墨烯表现出更加优异电化学性能。从库伦效率曲线中可以发现，氮掺杂石墨烯的首次库伦效率略低于天然石墨，高于石墨烯，这是因为与石墨相比，氮掺杂石墨烯具有较高的表面活性，在首次充放电过程中会因为形成SEI 膜而引起较高的能量消耗。氮掺杂石墨烯由于N元素修复了材料中一部分缺陷，在整体上比石墨烯的有序化程度高，所以首次库伦效率高于石墨烯，这在实际中具有重要意义。首次充放电完成后，氮掺杂石墨烯的库伦效率稳定在98%左右，几乎没有波动，这表明氮掺杂石墨烯电极具有比前两者所组成的电极材料有更好的循环稳定性。随着充放电过程的进行，氮掺杂石墨烯的比容量逐渐增加。Li等[12]测试了500次循环后的氮掺杂石墨烯的电化学性能，发现容量增加到了600 mAh/g以上，这种特殊的充放电性能与氮掺杂石墨烯的结构有关。首先N元素的引入使材料的结构变得有序化，这在一定程度上减少了石墨烯材料对Li+的存储；但是随着充放电的进行，氮掺杂石墨烯的结构会逐渐无序化，增加孔结构和缺陷从而增加Li+的存储，使电极材料具有优异的电化学性能。

(a)

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(b)

(c)

图7 天然石墨(a)、石墨烯(b)和氮掺杂石墨烯(c)电极的循

环性能曲线

Fig. 7 Cycle performances of NG (a), GSs (b) and N-GSs (c)

electrodes

为进一步研究氮掺杂石墨烯的电化学性能，分别测试了0.2 mA/cm 2至2 mA/cm 2充放电制度下的比容量，如图8所示。结果表明：氮掺杂石墨烯的充电平台稳定，在不同面电流条件下所表现的电化学性能差别不大，而且回到0.2 mA/cm 2电流密度下其比容量也恢复到最初的容量，表现出优异倍率性能和循环稳定性。

图8 氮掺杂石墨烯电极倍率性能 Fig. 8 Rate capability of N-GSs electrodes

3 结 论

1) 采用化学合成法在950 ℃条件下反应三聚氰胺和氧化石墨制备氮掺杂石墨烯。用SEM 、FTIR 和XPS 等手段表征材料的结构和组成，结果表明氮掺杂石墨烯是一种含有少量氮元素的特殊碳材料。

2) 在0.2 mA/cm 2和1 mA/cm 2电流密度下测试氮掺杂石墨烯电极材料的循环性能，发现氮掺杂石墨烯的可逆容量365 mAh/g ，而且随着充放电过程的持续会不断

地增加，表现出优于石墨和石墨烯的电化学稳定性能。

3) 电化学测试结果表明，氮掺杂石墨烯较高的电化学稳定性和渐增的储锂性能与碳材料中所含N 元素有关，随着充放电循环的进行，材料的结构会发生变化，为Li +的存储提供更多空间和位点。

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关于石墨烯电池的调研报告范文

关于石墨烯电池的调研报告 0引言 《世界报》的一则关于西班牙Graphenano 公司同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池的消息，引起了世界各地的转发与评论，该消息称石墨烯聚合材料电池能够提给电动车1000公里的续航能力，而其充电时间不到8分钟。为调查此消息的真实性与石墨烯聚合材料电池的可行性，于是检索、收集了大量的资料，并总结做出了自己的调查结果。 1石墨烯简介 石墨烯（Graphene ）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈?海姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因「在二维石墨烯材料的开创性实验」为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达K m W ?/5300，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过s V cm ?/215000，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约m ?Ω-810，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。 特斯拉CEO 马斯克近目在接受英国汽车杂志采访时表示，正在研究高性能电池，特斯拉电动车的续行里程很快将能达到800公里，比目前增长近70％。其表示，特斯拉始终致力于打造纯电动汽车，将继续革新电池技术，不考虑造混合动力车。特斯拉Model3电动汽车的续行里程有望达N320公里，售价约为3.5万美元。[]《功能材料信息》 2014年第11卷第4期 56-56页据悉，石墨烯兼具高强度、高导电性、柔韧性等优点，应用于锂电池负极材料后，可大幅度提高其电容量和大倍率充放电性能 ，或成特斯拉电池的理想材料。 特斯拉研究高能电池石墨烯或为理想材料 这项新技术的核心在于，新型多孔石墨烯材料含有巨大的内部表面区域，因此能实现在极短时间内充电。所充电能量与普通锂电池的电能量相当。更重要的是，石墨烯电池电极在经过1万次充放电之后。能量密度并未出现明显损失。 这种多孔石墨烯材料的超级电容，还可以为电动车节省大量的能量"如今，电动车的电能浪费现象仍旧普遍存在" 1新闻方面 首先，我从网上搜索了相关的新闻，包括ZOL 新闻中心科技频道的“石墨烯电池或将引领改革：充电10分钟跑1000公里”说道“这项突破性研究，为人类认知石墨烯等材料特性带来全新发现，并有望为燃料电池和氢相关技术领域带来革命性的进步”；21世纪经济报道的“中国2015年量产石墨烯锂电池或颠覆电动车行业”说道“2014年12月初，西方媒体报

石墨烯基本特性

2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用高度定向的热解石墨首次获得了独立存在的高质量石墨烯，打破了传统的物理学观点:二维晶体在常温下不能稳定存在。两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯是一种碳原子分布在二维蜂巢晶体点阵上的单原子层晶体。被认为是构建所有其他维数石墨材料的基本单元，它可以包裹成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨，如图所示。石墨烯晶体C-C键长为0.142nm，每个碳原子4 个价电子中的3 个通过σ键与临近的3个碳原子相连，S、Px 和Py3个杂化轨道形成强的共价键合，组成sp2杂化结构。这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。拉伸强度高达130Gpa，破坏强度为42N/m，杨氏模量为1.0TPa,断裂强度为125Gpa 与碳纳米管相当。石墨烯的厚度仅为0.35nm左右，是世界上最薄的二维材料。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。（百度百科）石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石，是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料。

石墨烯结构示意图（10） 石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。传统的半导体和导体，例如硅和铜，由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，2013年一般的电脑芯片以这种方式浪费了72%-81%的电能。而在石墨烯中，每个碳原子都有一个垂直于碳原子平面的σz轨道的未成键的p电子，在晶格平面两侧如苯环一样形成高度巡游的大π键，可以在晶体中自由高效的迁移，且运动速度高达光速的1/300，电子能量不会被损耗，赋予了石墨烯良好的导电性。晶格平面两侧高度巡游的大π键电子又使其具有零带隙半导体和狄拉克载流子特性宽

石墨作为锂离子电池负极材料

石墨作为锂离子电池负极材料 锂离子电池是指以两种不同的能够可逆地嵌入及脱出锂离子的嵌锂化合物分别作为电池正极和负极的二次电池体系。充电时，锂离子从正极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入到负极中；放电时则相反，锂离子从负极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入到正极中。 锂离子电池的负极是由负极活性物质、粘合剂和添加剂混合制成糊状胶合剂均匀涂抹在铜箔两侧，经干燥、滚压而成。 石墨由于具备电子电导率高、锂离子扩散系数大、层状结构在嵌锂前后体积变化小、嵌锂容量高和嵌锂电位低等优点，成为目前主流的商业化锂离子电池负极材料。 石墨的嵌锂机理 石墨导电性好，结晶程度高，具有良好的层状结构，十分适合锂离子的反复嵌入-脱嵌，是目前应用最广泛、技术最成熟的负极材料。锂离子嵌入石墨层间后，形成嵌锂化合LixC6（0≤x≤1），理论容量可达372mAh/g（x=1），反应式为：xLi++6C+xe-→LixC6 锂离子嵌入使石墨层与层之间的堆积方式由ABAB变为AAAA，如下图所示。

●石墨的改性处理 由于石墨层间距（d002≤0.34nm）小于石墨嵌锂化合物LixC6的晶面层间距（0.37nm），致使在充放电过程中，石墨层间距改变，易造成石墨层剥落、粉化，还会发生锂离子与有机溶剂分子共同嵌入石墨层及有机溶剂分解，进而影响电池循环性能。 通过石墨改性，如在石墨表面氧化、包覆聚合物热解炭，形成具有核-壳结构的复合石墨，可以改善石墨的充放电性能，提高比容量。 ●其它负极材料 石墨是目前主流的商业化锂电负极材料，但由于石墨本身结构特性的制约，石墨负极材料的发展也遇到了瓶颈，比如比容量已经到达极限、不能满足大型动力电池所要求的持续大电流放电能力等。因此业界也开始把目光投向非石墨类材料，比如硬碳和其它非碳材料（氧化锡、硅碳合金、钛酸锂等）。 江苏凤谷节能科技有限公司专注于节能环保产品设计研发，主要从事高效燃烧器及控制系统的研发与应用，可提供设计、制造、成套配套、安装调试、人员培训等总承包服务的专业公司；凤谷节能科技在喷嘴的设计研发和产品开发方面拥有丰富的经验。 凤谷节能科技通过并购无锡市大禾机械有限公司进入到化工行业的细分领域，主要产品包括机械消泡器、清釜机、汽水混合器等化工设备及配件。

氮掺杂石墨烯的制备及其氧还原电催化性能

第４３卷　第２期２０１５年３月 河南师范大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｅｎａｎ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ） 　Ｖｏｌ．４３　Ｎｏ．２ 　Ｍａｒ．２０１５ 文章编号：１０００－２３６７（２０１５）０２－００７４－０６　ＤＯＩ：１０．１６３６６／ｊ．ｃｎｋｉ．１０００－２３６７．２０１５．０２．０１４氮掺杂石墨烯的制备及其氧还原电催化性能 石　敏，张　庆，牛　璐，晁淑军，黄茹梦，白正宇 （河南师范大学化学化工学院；绿色化学介质与反应教育部重点实验室，河南新乡４５３００７） 摘　要：以三聚氰胺和氧化石墨烯（ＧＯ）为原料，经物理研磨和高温热解得到氮掺杂石墨烯（三聚氰胺－ＮＧ）．扫描电子显微镜（ＳＥＭ）测量显示，所制备的三聚氰胺－ＮＧ厚度和表面褶皱较掺杂前略有增加．Ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ）表明，在三聚氰胺－ＮＧ中氮元素以吡咯Ｎ、吡啶Ｎ和石墨Ｎ　３种形式掺杂在石墨烯中，它们的比例分别是１４．５％、２４．５％和６１．０％．同时运用循环伏安法（ＣＶ）和旋转圆盘电极技术（ＲＤＥ）测试了三聚氰胺－ＮＧ在碱性介质中的氧还原电催化活性．结果表明，与商业石墨烯和由聚吡咯为氮源制备的氮掺杂石墨烯（ｐｐｙ－ＮＧ）相比，三聚氰胺－ＮＧ具有较高的电催化活性和较正的氧还原起始电位（－０．０９Ｖ），并且电催化还原氧气时主要为４电子反应．由于其较高的氧还原性能和较低的成本，三聚氰胺－ＮＧ在碱性燃料电池阴极电催化剂中有良好的应用前景．关键词：氮掺杂石墨烯；三聚氰胺；氧还原；燃料电池 中图分类号：Ｏ６１４文献标志码：Ａ 燃料电池是一种将燃料的化学能按电化学方式等温地转化为电能的发电装置，其中氧还原反应缓慢的动力学过程是影响燃料电池能量转换效率的重要因素之一．到目前为止，最有效的阴极催化剂是贵金属及其合金催化剂［１－２］．然而，贵金属价格昂贵，在催化剂成本中占有很大的比重，其催化活性和稳定性也需要进一步提高，极大地影响了低温燃料电池产业化进程［３］，因此开发成本低廉的新型非贵金属催化剂，成为燃料电池研究人员近年来努力的重要方向之一［４］． 石墨烯是由ｓｐ２杂化碳原子相互连接构成的仅一个原子厚度的二维平面材料，其碳原子构成六角环形蜂窝状，该特殊晶格结构赋予石墨烯优异的物理和化学性质［５－６］．目前，石墨烯已成为许多领域的研究热点，如催化剂载体［７］、电池［８］、传感器［９］以及储氢材料［１０］等．理论计算和相关实验结果均表明，在石墨烯ｓｐ２杂化的碳原子中引入氮原子可以有效提高其电化学活性，这是由于掺杂的氮原子会影响石墨烯中碳原子的自旋密度和电荷分布，使氮原子周围的碳原子带有更多的正电荷，导致石墨烯表面产生“活性位点”，这些“活性位点”可以直接参与氧还原催化反应（ＯＲＲ）［１１］．综合文献报道，与商品Ｐｔ／Ｃ催化剂相比，氮掺杂石墨烯（ＮＧ）作为不含金属元素的氧还原催化剂具有较高的催化活性和电化学稳定性，Ｚｈａｎｇ等［１２］利用密度泛函理论对氮掺杂石墨烯上氧还原反应的机理进行理论模拟，所得结果与实验观察一致，即在ＮＧ上ＯＲＲ是一个直接的４电子途径．因此，ＮＧ被广泛认为是贵金属催化剂的理想替代材料之一［１３］． 本文采用常见且廉价的三聚氰胺为氮源，在不影响石墨烯片层结构的基础上，经过物理研磨后高温煅烧合成出氮掺杂石墨烯（三聚氰胺－ＮＧ），对比研究了不同Ｎ掺杂形式及不同Ｎ含量石墨烯的氧还原反应催化性能，结果表明，吡啶－Ｎ和石墨－Ｎ含量较高的三聚氰胺－ＮＧ催化剂对氧还原反应表现出较高的电催化性能． １　实验部分 １．１　仪器和试剂 三聚氰胺（分析纯，沈阳化学试剂厂）；吡咯（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；商业石墨烯（合肥微 收稿日期：２０１４－１１－１０；修回日期：２０１５－０３－１１． 基金项目：国家自然科学基金（２１３０１０５１）；河南省基础与前沿研究项目（１３２３００４１００１６）；河南师范大学青年基金项目．作者简介：白正宇（１９７９－），女，河南濮阳人，河南师范大学副教授，博士，主要从事燃料电池催化剂的研究． 通信作者：白正宇，河南师范大学化学化工学院，Ｅ－ｍａｉｌ：ｂａｉｚｈｅｎｇｙｕ２０００＠１６３．ｃｏｍ．

氮掺杂石墨烯制备及其应用研究进展

Hans Journal of Nanotechnology纳米技术, 2019, 9(1), 17-31 Published Online February 2019 in Hans. https://www.sodocs.net/doc/8810114968.html,/journal/nat https://https://www.sodocs.net/doc/8810114968.html,/10.12677/nat.2019.91003 Recent Advances in the Synthesis and Applications of Nitrogen-Doped Graphene Wanwen Kang1*, Haiyan Quan1*, Yonghao Huang1, Pin Luo1, Yaoheng Liang1, Biqi Zhong1, Zheng Li1, Wuqing Zhu1, Changyong Mo1, Jiping Wu1, Hongjie Liao1, Xiaowen Wang1, Dongchu Chen1, Min Zhang1, Huawen Hu1,2# 1College of Materials Science and Energy Engineering, Foshan University, Foshan Guangdong 2Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou Guangdong Received: Feb. 1st, 2019; accepted: Feb. 15th, 2019; published: Feb. 22nd, 2019 Abstract As the focus of much attention in multi-disciplinary fields such as physics, chemistry, biomedicine, and materials science, graphene has the following limitations which impede their widespread ap-plications: 1) the gapless electronic structure of graphene would retard their optoelectronic ap-plications, 2) the high surface energy of graphene nanosheets causes them to readily aggregate, consequently losing their unique properties, and 3) the inert surface of graphene makes it difficult to combine with other materials. In order to realize more widespread applications of graphene, it is essential to functionalize graphene physically or chemically, and graphene functionalization is a broad subject being undergoing an intense study. This is because the functionalization cannot only retain the unique intrinsic properties of graphene to a certain extent but also impart new struc-tures and properties to the functionalized graphene. Doping with heteroatoms is one of the most hot-topic research areas regarding the functionalization of graphene, which leads to the breakage of the original symmetry and ordered honeycomb structure and to the rearrangement of the crys-tal structure of graphene. Compared to other non-metal heteroatoms, nitrogen has a size closer to carbon, revealing a higher compatibility of nitrogen with the lattice structure of graphene. Hence, nitrogen can be more easily doped into the graphene lattices, producing nitrogen-doped graphene (NG) that is more stable in comparison with other heteroatom-doped graphene. More importantly, the incorporation of nitrogen would enhance the electronegativity of graphene materials, attri-buted to the generated N-C bond where the adjacent carbon atoms are endowed with more posi-tive charges. The enhancement of the electronegativity facilitates catalytic redox reactions. These characteristics of NG lead the research and applications of NG to become an important direction in various fields. This review article summarizes various NG preparation methods in recent years, and compares the merits and demerits of these preparation methods. In addition, the applications of NG in catalysis, supercapacitors, photocatalysis, biosensing, and antibacterial, etc., are reviewed, and the bottleneck in the current stage and the future prospect are also pointed out. The review paper presented here paves the way for the development of more high-performance NG-based materials for addressing both fundamental and technical problems and challenges in both scien-tific and industrial communities. *第一作者。 #通讯作者。

水热合成Fe2O3石墨烯纳米复合材料及其电化学性能研究

常熟理工学院学报（自然科学）Journal of Changshu Institute Technology （Natural Sciences ）第26卷第10Vol.26No.102012年10月Oct.,2012 收稿日期：2012-09-05 作者简介：季红梅（1982—），女，江苏启东人，讲师，工学硕士，研究方向：无机功能材料．水热合成Fe 2O 3/石墨烯纳米 复合材料及其电化学性能研究 季红梅1，于湧涛2，王露1，王静1，杨刚1 （1.常熟理工学院化学与材料工程学院，江苏常熟215500；2.吉林石化公司研究院，吉林吉林132021） 摘要：利用水热法成功合成了Fe 2O 3/石墨烯（RGO ）锂离子电池负极材料.导电性能良好的石墨烯网络起到连接导电性能极差的Fe 2O 3和集流体的作用.电化学性能测试表明，180℃下得到的 Fe 2O 3/RGO 具有良好的比容量和循环稳定性.在不同倍率充放电过程中，初始放电比容量为1023.6mAh/g （电流密度为40mA/g ），电流密度增加到800mA/g 时，放电比容量维持在406.6 mAh/g ，大于石墨的理论放电比容量~372mAh/g.在其他较高的电流密度下比容量均保持基本不变.该Fe 2O 3/RGO 有望成为高容量、低成本、低毒性的新一代锂离子电池负极材料.关键词：Fe 2O 3；石墨烯；负极材料中图分类号：TM911文献标识码：A 文章编号：1008-2794（2012）10-0055-05 自从P.Poizot [1]等报道过渡金属氧化物可以作为锂离子电池负极材料这一研究后，金属氧化物负极便逐渐引起人们的重视.铁的氧化物具有比容量大、倍率性能好和安全性能高等优点，且原料来源丰富、价格低廉、环境友好，因此是一类很有发展潜力的动力锂离子电池负极材料.Fe 2O 3作为一种常温下最稳定的铁氧化合物，理论容量为1005mAh/g ，远高于石墨类材料的理论比容量，已经成为锂离子电池负极材料的一个研究热点.近年来，石墨烯由于其高的电传导性，大的比表面积，良好的化学稳定性和柔韧性而被尝试用于与活性锂离子电池负极材料复合，提升材料的电化学性能.比如，Cui Y [2]课题组在溶剂热条件下两步法得到Mn 3O 4与石墨烯的复合材料，改善了Mn 3O 4的比容量和循环性能.Co 3O 4，Fe 3O 4等金属氧化物材料与石墨烯复合也有被研究，本课题组在石墨烯和金属氧化物材料复合方面也做了大量的工作[3].本文通过水热法一步合成Fe 2O 3/石墨烯纳米复合材料，并研究了其电化学性能，合成过程中采用三乙烯二胺提供反应的碱性环境，并控制Fe 2O 3的粒子生长.1 实验 1.1试剂和仪器 三乙烯二胺（C 6H 12N 2）；无水三氯化铁（FeCl 3）；石墨；硝酸钠（NaNO 3）；浓硫酸（H 2SO 4）；高锰酸钾（KMnO 4）；双氧水（H 2O 2）和盐酸（HCl ），以上试剂均为分析纯.实验用水为去离子水.日本理学H-600型透射电子显微镜；日本理学D/max2200PC 型X 射线衍射仪；德国Bruker Vector 22红外光谱仪；日本JEOL-2000CX 透射电镜；美国Thermo Scientific Escalab 250Xi 光电子能谱仪；LAND 电池

石墨烯性能简介

第一章石墨烯性能及相关概念 1 石墨烯概念 石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯狭义上指单层石墨，厚度为0.335nm，仅有一层碳原子。但实际上，10层以内的石墨结构也可称作石墨烯，而10层以上的则被称为石墨薄膜。单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨，碳原子-碳原子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构，由六边形晶格组成，理论比表面积高达2.6×102m2 /g。石墨烯具有优异的导热性能(3×103W/(m?K))和力学性能(1.06×103 GPa)。此外，石墨烯稳定的正六边形晶格结构使其具有优良的导电性，室温下的电子迁移率高达1.5×104 cm2 / (V·s)。石墨烯特殊的结构、突出的导热导电性能和力学性能，引起科学界巨大兴趣，成为材料科学研究热点。 石墨烯结构图

2 石墨烯结构 石墨烯指仅有一个原子尺度厚单层石墨层片，由 sp2 杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构。石墨烯中碳 -碳键长约为 0.142nm。每个晶格内有三个σ键，连接十分牢固形成了稳定的六边状。垂直于晶面方向上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很大的作用。石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成单元，可以将它看做一个无限大的芳香族分子，平面多环烃的极限情况就是石墨烯。 形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构，看上去就像一张六边形网格构成的平面。在单层石墨烯中，每个碳原子通过 sp2 杂化与周围碳原子成键给构整流变形，每一个六边单元实际上类似苯环，碳原子都贡献出个一个未成键电子。单层石墨烯厚度仅0.35nm ，约为头发丝直径的二十万分之一。 石墨烯的结构非常稳定，碳原子之间连接及其柔韧。受到外力时，碳原子面会发生弯曲变形，使碳原子不必重新排列来适应外力，从而保证了自身的结构稳定性。 石墨烯是有限结构，能够以纳米级条带形式存在。纳米条带中电荷横向移动时会在中性点附近产生一个能量势垒，势垒随条带宽度的减小而增大。因此，通过控制石墨烯条带的宽度便可以进一步得到需要的势垒。这一特性是开发以石墨烯为基础的电子器件的基础。

【CN109941989A】一种水热法制备氮掺杂石墨烯量子点的方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910347538.2 (22)申请日 2019.04.28 (71)申请人 中国药科大学 地址 211198 江苏省南京市江宁区龙眠大 道639号 (72)发明人 陈金龙　肖璐　王炳熙　 (74)专利代理机构 南京苏高专利商标事务所 (普通合伙) 32204 代理人 柏尚春 (51)Int.Cl. C01B 32/184(2017.01) C09K 11/65(2006.01) B82Y 20/00(2011.01) (54)发明名称 一种水热法制备氮掺杂石墨烯量子点的方 法 (57)摘要 本发明公开了一种水热法制备氮掺杂石墨 烯量子点的方法，该方法加入丁二胺和过氧化 氢，采用水热切割氧化石墨烯，制备了一种新型 氮掺杂石墨烯量子点。本发明公开的制备方法具 有操作简便，反应温度较低等优点。制得的氮掺 杂石墨烯量子点分散性良好，颗粒均匀，荧光性 能较为稳定，在较宽的pH范围、较高的离子强度 与粘度、以及较长的光照时间下发光强度均不受 明显影响。权利要求书1页 说明书3页 附图3页CN 109941989 A 2019.06.28 C N 109941989 A

权　利　要　求　书1/1页CN 109941989 A 1.一种水热法制备氮掺杂石墨烯量子点的方法，其特征在于包括以下步骤： (1)向经超声剥离后的氧化石墨烯溶液中加去离子水搅拌，使其分散均匀； (2)向分散均匀的氧化石墨烯溶液中加入丁二胺； (3)向(2)中得到的混合物溶液中逐滴缓慢加入20-40％过氧化氢，最后加入去离子水，持续搅拌至无明显气泡； (4)向(3)中得到的混合物溶液转移至水热反应釜中进行反应； (5)将(4)中得到的产物冷却至室温后，通过微孔滤膜过滤除去未反应完全的氧化石墨烯，得到含有氮掺杂氧化石墨烯量子点的混合溶液； (6)将(5)得到的含有氮掺杂石墨烯量子点的混合溶液在透析袋中透析得到氮掺杂石墨烯量子点水溶液； (7)将(6)得到的氮掺杂石墨烯量子点水溶液进行冷冻干燥得到氮掺杂石墨烯量子点。 2.根据权利要求1所述的一种水热法制备氮掺杂石墨烯量子点的方法，其特征在于所述步骤(1)中所用的氧化石墨烯为改良Hummers法制得的氧化石墨烯。 3.根据权利要求1所述的一种水热法制备氮掺杂石墨烯量子点的方法，其特征在于所述步骤(1)中的超声剥离时间为0.5-1.5h。 4.根据权利要求1所述的一种水热法制备氮掺杂石墨烯量子点的方法，其特征在于所述步骤(1)中的搅拌时间为0.5-1.5min。 5.根据权利要求1所述的一种水热法制备氮掺杂石墨烯量子点的方法，其特征在于所述步骤(4)中所用的水热反应釜为20-40ml聚四氟乙烯高压反应釜，加热温度为150-170℃，加热时间为4-8h。 6.根据权利要求1所述的一种水热法制备氮掺杂石墨烯量子点的方法，其特征在于所述步骤(6)中的透析次数为2-5次，每次20-40min。 2

石墨烯修饰电极的电化学性能

https://www.sodocs.net/doc/8810114968.html,锦生炭素 石墨烯修饰电极的电化学性能 石墨烯(Graphene)是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料,是构建零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨等其他碳质材料的基本单元,具有许多优异而独特的物理、化学和机械性能,在微纳电子器件、光电子器件、新型复合材料以及传感材料等方面有着广泛的应用前景,基于石墨烯的相关研究也成为目前电化学领域的热点研究领域之一。 本论文围绕石墨烯的不同修饰电极条件,结合电化学基础研究,开展了石墨烯及其相关的电化学性能研究。具体内容归纳如下: (1)将石墨烯与具有良好导电性能的聚苯胺(PANI)复合,研究了石墨烯/聚苯胺复合物修饰电极的电化学性能。利用石墨烯与聚苯胺之间电子给体与电子受体的相互作用,实现了聚苯胺在中性甚至强碱性溶液中的电化学活性,并利用红外光谱、拉曼光谱和紫外光谱进行了可能的机理探讨。石墨烯/聚苯胺复合物材料在中性溶液里的电化学活性,在生物传感领域具有可能的应用空间;同时,在不同pH 溶液里的电化学活性也为石墨烯/聚苯胺复合物材料在pH传感中提供了可能的应用空间。 (2)将石墨烯与具有电绝缘性能的凡士林混合,研究了石墨烯/凡士林膜电极的电化学性能。循环伏安测试表明:采用10.0 mg/mL、5.0 mg/mL和1.0 mg/mL的石墨烯/凡士林修饰电极可以依次得到常规尺寸电极、亚微尺寸电极和微尺寸的纳米电极阵列,并且通过简单混合所制备的石墨烯/凡士林膜电极具有良好的电化学活性和稳定性。作为新型碳材料的膜电极,石墨烯/凡士林膜电极在基础电化学研究和应用中具有一定的潜在价值。 (3)将石墨烯组装在具有完全电绝缘性能的硫醇自组装膜电极上,研究了石墨烯/硫醇自组装膜电极的电化学性能。交流阻抗数据表明,随着组装时间的增加,石墨烯/硫醇自组装膜电极的电化学阻抗逐渐降低,表明石墨烯在硫醇自组装膜上是一个可控的组装过程。循环伏安测试还表明,石墨烯的组装时间是120 min和5 min时,可以分别得到常规尺寸和微尺寸纳米电极阵列的石墨烯/硫醇自组装膜电极,而且对抗坏血酸、多巴胺、尿酸具有较好的电催化活性。同时,为了探讨可能的实验机理,我们讨论了电子传递的可能原因以及影响自组装膜电极双电层结构的两个因素。结果表明随着硫醇中碳链长度的增加,电子传递速率逐渐降低,氧化还原峰电位的差值逐渐增大;不同碳材料的电子转移速率呈现为:石墨烯>多孔碳>石墨。这种采用简单而有效的方法制备的石墨烯/硫醇自组装膜电极,在电化学理论研究和实际应用中具有较好的前景。 超级电容器是一种绿色、新型的储能元件,由于其高效、无污染的优良特性,符合“低碳”经济的发展要求,受到了人们的高度重视。超级电容器的核心是电极材料。 新兴的石墨烯二维单层原子碳材料因具有大的比表面积、优异的导电性、高的机械强度,被认为是理想的超级电容器电极材料。化学方法制备的氧化石墨烯具有良好的成膜性,可用于制备“石墨烯纸”并进而应用于无支撑电极。 此外,氧化石墨烯上丰富的含氧官能团可用于锚定金属纳米粒子,形成石墨烯复合材料。本论文围绕石墨烯薄膜制备、修饰和电化学电容性质开展研究工作,发展了石墨烯/碳纳米管复合薄膜的溶液铸造制备方法,提出了水热还原制备石墨烯基复合薄膜的途径,并研究了所制备材料的电容性能,取得了

石墨烯的特殊性能

石墨烯的特殊性能 摘要：石墨烯是2004年才发现的一种有奇异性能的新型材料，它是由碳原子组成的二维六角点阵结构，具有单一原子层或几个原子层厚。石墨烯因其具有独特的电子能带结构和具相对论电子学特性，是迄今为止人类发现的最理想的二维电子系统，且具有丰富而新奇的物理特性。本文详细介绍了石墨烯的结构，特殊性能以及对石墨烯原胞进行了5×5×1的扩展，通过密度泛函理论 ( DFT) 和广义梯度近似( GGA)对50个碳原子的本征石墨烯超晶胞进行电子结构计算。 关键字：石墨烯，结构，特殊性能，超晶胞，电子结构计算 一、引言 石墨烯是2004年以来发现的新型电子材料石墨烯是sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。在单层石墨烯中，碳碳键长为0.142nm，厚度只有0.334nm。石墨烯是构成下列碳同素异型体的基本单元：例如：石墨，碳纳米管和富勒烯。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。石墨烯在电子和光电器件领域有着重要和广阔的应用前景正因为如此，石墨烯的两位发现者获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

石墨烯是一种没有能隙的半导体，具有比硅高100倍的载流子迁移率，在室温下具有微米级自由程和大的相干长度，因此石墨烯是纳米电路的理想材料，石墨烯具有良好的导热性[3000W／(m〃K)]、高强度(110GPa)和超大的比表面积 (2630mZ／g)。这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及 复合材料等领域有光明的应用前景 二、石墨烯的特殊性能 石墨烯是一种半金属或者零带隙二维材料，在靠近布里渊区6个角处的低能区，其E-k色散关系是线性的 ,因而电子或空穴的有效质量为零，这里的电子或空穴是相对论粒子，可以用自旋为1／2粒子的狄拉克方程来描述。 石墨烯的电子迁移率实验测量值超过15000cm／(V〃s)(载流子浓度n≈10 cm )，在10～100K范围内，迁移率几乎与温度无关，说明石墨烯中的主要散射机制是缺陷散射，因此，可以通过提高石墨烯的完整性来增加其迁移率，长波的声学声子散射使得石墨烯的室温迁移率大约为200000cm ／(V〃s)，其相应的电阻率为lO -6 〃cm，

锂离子电池石墨负极材料的优点和缺点

锂离子电池石墨负极材料的优点和缺点 一、石墨定义： 1、石墨是元素碳的一种同素异形体，每个碳原子的周边连结着另外三个碳原子（排列方式呈蜂巢式的多个六边形）以共价键结合，构成共价分子。 2、由于每个碳原子均会放出一个电子，那些电子能够自由移动，因此石墨属于导电体。石墨是其中一种最软的矿物，它的用途包括制造铅笔芯和润滑剂。 二、石墨的特殊性质： 1、导电性：石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。石墨能够导电是因为石墨中每个碳原子与其他碳原子只形成3个共价键,每个碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷。 2、导热性：导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下，石墨成绝热体。 3、耐高温性：石墨的熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，即使经超高温电弧灼烧，重量的损失很小，热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强，在2000℃时，石墨强度提高一倍。 4、润滑性：石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。由于其润滑性，在超细研磨里难度很高，使用叁星飞荣立式砂磨机可以研磨到纳米级别细度。 5、化学稳定性：石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。 6、可塑性：石墨的韧性好，可碾成很薄的薄片。 7、抗热震性：石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。 .

三、石墨的中国产地： 1、我国以鸡西市恒山区密山市柳毛乡为最大的产地。以及省的七台河市、鹤岗市和双鸭山市等。 2、省莱西市为我国石墨重要产地之一。 3、省磐石市也是石墨产地之一。 4、乌拉特中旗高勒图矿区发现全国最大晶质石墨单体矿。 5、省煤田地质局一九四队在洋县发现3条石墨矿带。 四、石墨世界著名产地： 1、纽约Ticonderoga。 2、马达加斯加。 3、斯里兰卡（Ceylon）。 五、石墨分类： 1、天然石墨：石墨的工艺特性主要决定于它的结晶形态。结晶形态不同的石墨矿物，具有不同的工业价值和用途。 2、人造石墨：广义上，一切通过有机炭化再经过石墨化高温处理得到的石墨材料均可称为人造石墨，如炭纤维、热解炭、泡沫石墨等。而狭义上的人造石墨通常指以杂质含量较低的炭质原料为骨料、煤沥青等为粘结剂，经过配料、混捏、成型、炭化和石墨化等工序制得的块状固体材料，如石墨电极、等静压石墨等。 人造石墨就成型方式通常可分为：振动成型，挤压成型，模压成型，等静压成型。 3、块状石墨：块状石墨又叫致密结晶状石墨。此类石墨结晶明显晶体肉眼可见。颗粒直 .

氮掺杂石墨烯海绵的可控合成及其 在锂硫电池中的应用

Material Sciences 材料科学, 2019, 9(4), 361-367 Published Online April 2019 in Hans. https://www.sodocs.net/doc/8810114968.html,/journal/ms https://https://www.sodocs.net/doc/8810114968.html,/10.12677/ms.2019.94048 Controllable Synthesis of N-Doped Reduced Graphene Oxide Sponge and Its Application in Li-S Batteries Huizhen Zhang, Meng Feng, Hongbin Feng Institute of Materials for Energy and Environment, School of Materials Science and Engineering, Qingdao University, Qingdao Shandong Received: Apr. 1st, 2019; accepted: Apr. 15th, 2019; published: Apr. 22nd, 2019 Abstract In this study, N-doped reduced graphene oxide sponges (N-RGOS) with adjustable sizes and vari-ous morphologies were successfully fabricated by hydrothermal and pyrolysis methods, using melamine sponge as template for assisted assemble of GO. The N-RGOS@S composites were pre-pared by loading elemental sulfur on N-RGOS. The samples were characterized by XRD, TG, SEM and XPS. The electrochemical performance of N-RGOS@S as a cathode material for lithium-sulfur batteries was tested. The composites delivered a stable cyclic stability with a specific capacity of 549.8 mAh?g?1 maintained after 100 cycles at 0.1 C. And they also showed an excellent rate capa-bility that can reach 495.5 mAh?g?1 at 2 C. The excellent electrochemical performance is mainly at-tributed to the three-dimensional graphene network structure and nitrogen doping, which im-proves the conductivity of the electrode materials and hinders the diffusion of polysulfides during charging and discharging and reduces the shuttle effect. Keywords Assisted Assemble, Nitrogen-Doped Reduced Graphene Oxide, Lithium-Sulfur Battery, Cathode Materials 氮掺杂石墨烯海绵的可控合成及其 在锂硫电池中的应用 张慧珍，冯梦，冯红彬

锂离子电池石墨负极材料的优点和缺点

锂离子电池石墨负极材料的优点和缺点

锂离子电池石墨负极材料的优点和缺点 一、石墨定义： 1、石墨是元素碳的一种同素异形体，每个碳原子的周边连结着另外三个碳原子（排列方式呈蜂巢式的多个六边形）以共价键结合，构成共价分子。 2、由于每个碳原子均会放出一个电子，那些电子能够自由移动，因此石墨属于导电体。石墨是其中一种最软的矿物，它的用途包括制造铅笔芯和润滑剂。 二、石墨的特殊性质： 1、导电性：石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。石墨能够导电是因为石墨中每个碳原子与其他碳原子只形成3个共价键,每个碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷。 2、导热性：导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下，石墨成绝热体。 3、耐高温性：石墨的熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，即使经超高温电弧灼烧，重量的损失很小，热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强，在2000℃时，石墨强度提高一倍。 4、润滑性：石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。由于其润滑性，在超细研磨里难度很高，使用叁星飞荣立式砂磨机可以研磨到纳米级别细度。 5、化学稳定性：石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。 6、可塑性：石墨的韧性好，可碾成很薄的薄片。

7、抗热震性：石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。 三、石墨的中国产地： 1、我国以黑龙江鸡西市恒山区密山市柳毛乡为最大的产地。以及黑龙江省的七台河市、鹤岗市和双鸭山市等。 2、山东省莱西市为我国石墨重要产地之一。 3、吉林省磐石市也是石墨产地之一。 4、内蒙古乌拉特中旗高勒图矿区发现全国最大晶质石墨单体矿。 5、陕西省煤田地质局一九四队在陕西洋县发现3条石墨矿带。 四、石墨世界著名产地： 1、纽约Ticonderoga。 2、马达加斯加。 3、斯里兰卡（Ceylon）。 五、石墨分类： 1、天然石墨：石墨的工艺特性主要决定于它的结晶形态。结晶形态不同的石墨矿物，具有不同的工业价值和用途。

N.S共掺杂的石墨烯量子点

Cite this:New J.Chem.,2014,38,4615 Synthesis and optical properties of nitrogen and sulfur co-doped graphene quantum dots ? Ben-Xing Zhang,a Hui Gao*a and Xiao-Long Li b Strong blue luminescence and water-soluble nitrogen (N)and sulfur (S)co-doped graphene quantum dots (NS-GQDs)were fabricated via a one-step hydrothermal method using oxidized graphene.Ammonia and powdered S were selected as the source of N and S,respectively.The results indicated that both N and S atoms were successfully incorporated into the sp 2-hybridized carbon framework of graphene.Under the excitation of 365nm,the maximum emission intensity could be obtained with a 1:1.2atomic ratio of N/S.The as-prepared NS-GQDs exhibited brighter luminescence compared with N-doped graphene quantum dots (N-GQDs).S-doping plays an important role in enhancing the emission intensity of NS-GQDs.In addition,the luminescence was exceptionally resistant to high salt concentration.Because of these virtues,there are extensive potential applications for NS-GQDs in bio-imaging,solar cells,and ion detection. 1Introduction Graphene quantum dots (GQDs),as the latest member of the carbon (C)family,are drawing tremendous research interest due to their unique properties,including abundant availability,excellent water solubility,robust chemical inertness,low cytotoxicity,excellent biocompatibility,and resistance to photobleaching.GQDs have been exploited in a wide range of applications:ion detection,1,2photovoltaic devices,3bio-sensing,4,5bio-imaging,6and deoxyribo-nucleic acid (DNA)cleavage,7to name a few.However,when contrasted with semiconductor quantum dots,GQDs possess insu?cient luminescence.8Loh and co-workers 9demonstrated that isolated clusters with numbered atoms were closely related to the absorption of photons,and structural defects are crucial to the creation of these clusters.Therefore,when there are relatively low defects (active sites)of undoped GQDs,deficient optical properties will result.Doping heteroatoms including boron,10nitrogen (N),10,11fluorine,12and sulfur (S)13is among the most practical strategies to introduce more defects,modify the electron density,and tailor the photic properties of GQDs.It will be highly interesting to explore what will happen when a doped element (N,S)has a similar radius (radius of C:0.77?,N:0.75?)or electronegativity (electronegativity of C:2.55,S:2.58)to C. To date,various strategies have been proposed for the synthesis and doping of GQDs and mainly include the top-down and the bottom-up methods.The top-down approach refers to cutting high dimensional carbon materials into zero dimensional GQDs via hydrothermal methods,14electrochemi-cal strategies,15oxygen (O)plasma treatment,16and stripping of oxidized debris.17The microwave-assisted hydrothermal method,18thermal pyrolysis 19and cage opening of fullerenes 20are classified as bottom-up routes,in which designated organic precursors are carbonized.So far,research attention has mainly been given to N-doped graphene quantum dots (N-GQDs),while little attention has been paid to NS-GQDs.Recently,Qu et al.13synthesized N and S co-doped graphene quantum dots (NS-GQDs)using the bottom-up approach,obtaining a high quan-tum yield (71%)of NS-GQDs that were outstanding visible light photocatalysts.Nevertheless,compared with the top-down approaches,the bottom-up methods usually su?er from severe synthetic conditions and requirements for special precursors.To our knowledge,the top-down method for preparing NS-GQDs has rarely been researched.Herein,we present a feasible process to synthesize NS-GQDs in an autoclave using oxidized graphene (GO),ammonia (as a N source and passivation agent 21),and powdered S (as a S source).The results show that S can successfully be introduced into the framework.NS-GQDs with di?erent photoluminescence (PL)intensity were prepared by varying the mass ratios of GO,the powdered S,and the ammonia solution.The as-prepared N-GQDs and NS-GQDs show excited wavelength-dependent PL behavior.It is implied that N-GQDs and NS-GQDs may have the same PL origin according to the functional relationship between the excitation and emission wavelength of both GQDs. a School of Physical Science and Technology,Key Laboratory for Magnetism and Magnetic Materials of the Ministry of Education,Lanzhou University, Lanzhou 730000,P.R.China.E-mail:hope@https://www.sodocs.net/doc/8810114968.html,;Fax:+819318913554;Tel:+819318912772b Shanghai Synchrotron Radiation Facility,Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201204,P.R.China ?Electronic supplementary information (ESI)available.See DOI:10.1039/c4nj00965g Received (in Montpellier,France)11th June 2014, Accepted 3rd July 2014DOI:10.1039/c4nj00965g https://www.sodocs.net/doc/8810114968.html,/njc NJC P u b l i s h e d o n 03 J u l y 2014. D o w n l o a d e d b y D a l i a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y o n 15/10/2014 15:14:48.