清洁能源化学与材料实验室知识库

石墨烯是一种新型的二维碳材料，具有独特的晶体结构特征，呈现出优异的电学、 光学、 热学和力学等物理化学性质，因而被广泛关注并应用在不同的领域。短短的十年时间里，关于石墨烯的研究已经硕果累累，其制备技术也得到了充分的开发。近年来，为了充分利用石墨烯的优异性能，需要将二维的石墨烯组装成各种特殊结构的石墨烯材料。然而，目前报道的石墨烯基材料大多采用化学法制得，由于其较差的导电性，直接影响了其在电化学等领域的应用。尽管化学气相沉积法(CVD法)可以制备出高质量的石墨烯，并且在制备石墨烯薄膜和三维石墨烯宏观体上已经取得了一定的成果。 但在特定纳米结构的石墨烯材料的开发和性能研究等方面仍然存在着一些问题， 特别是缺乏有效地方法来控制金属催化剂的结构，从而直接影响到石墨烯的制备。因此，开发新方法来构筑特定形貌的石墨烯材料具有重要的现实意义，成为当前石墨烯材料研究的热点之一。 本论文通过CVD法，选择纳米结构的新型镍催化剂作为基底来生长石墨烯，制备了具有不同形貌和杂原子掺杂的石墨烯材料。 并通过对其结构特性和电化学性能的表征，揭示了电极材料的形貌、组成和结构对其电化学性能的影响。主要研究内容和结果如下：

1. 通过CVD法，在镍微米球、镍纳米颗粒和SiO₂微米球上分别可控的制备出大尺寸的石墨烯片、石墨烯纳米球和石墨烯微米球。使用液体碳源在微米球上制备出三维多孔的石墨烯微米球，具有高的导电网络、大的比表面积和丰富的孔结构。作为锂离子电池负极材料，其可逆比容量可达到648 mAh/g，并且展现了优异的循环性能，经过200次的循环没有明显的衰减迹象。此外，我们进一步在前驱体中掺杂 FeCl₃，制备了多孔石墨烯球和石墨烯纳米球的复合结构，有效地提高了多孔石墨烯材料的产率。

2. 通过前驱体辅助的CVD法，我们制备了氮掺杂和氮硫共掺杂的多孔石墨烯球，有效地提高了多孔石墨烯球的比表面积和锂离子电池性能。其中，使用(NH₄)₂S₂O₈作为掺杂剂，制备的氮硫共掺杂的多孔石墨烯球的氮和硫含量分别为4.6wt%和1.5wt%。电化学结果表明，在0.1A/g的电流密度下，共掺杂石墨烯的可比逆容量高达1068 mAh/g，并具有优异的循环稳定性。

3. 利用氮掺杂的多孔石墨烯球作为模板， 成功制备了碳管/多孔石墨烯球杂化材料和氧化铁/多孔石墨烯烯复合材料。电化学结果表明，两种复合材料都展现了优异的循环性能。在电流密度都是0.1 A/g 条件下，经过200次的循环，碳管/多孔石墨烯球杂化材料的可逆比容量达到820 mAh/g；经过100次的循环，氧化铁/多孔石墨烯烯复合材料的可逆比容量可达到 1343 mAh/g。

4. 通过改进前驱体的制备方式，结合CVD法和水热法，制备了氮原子掺杂的多孔石墨烯球。制备的氮掺杂石墨烯球具有高的石墨化程度、丰富的孔径和合适的氮原子掺杂量。将其应用在电化学传感器上，展现了高的灵敏度(15.89 mA/mM cm²)、宽的检测范围(0.1-3.7 mM)和快的响应(3.6s)。