含氮石墨烯作为电催化材料的构筑与性能研究

以氧化石墨烯为前驱体，通过氨处理制备氮掺杂石墨烯；在氧化石墨烯或石墨烯上修饰吡咯、苯胺等途径制备含氮聚合物修饰的石墨烯，再通过高温碳化获得碳氮/石墨烯复合体。研究上述含氮石墨烯的氮含量和氮形态与材料的化学性质和电性能之间的关系。利用含氮石墨烯上的氮物种对金属原子或离子的配位或锚定作用，负载Pt、Co等金属及合金纳米粒子，考察反应路线、条件对金属纳米粒子粒径、负载量、晶化程度和合金化程度的影响，揭示氮与金属的作用方式，制备金属与含氮石墨烯复合电催化剂。系统和深入地研究复合催化剂的结构和组分对甲醇氧化和（或）氧还原电催化活性、稳定性和抗毒性的影响规律及其作用机理，为设计、开发具有高效率、低成本和长寿命特点的电催化剂打下坚实基础。

本项目针对含氮石墨烯的制备、性质调变、电催化剂构筑和电催化性能系统地开展了研究。在制备方法上，发展了氧化石墨烯氮化、含氮聚合物修饰和化学气相沉积生长三种方法；在性质调变上，通过控制结晶程度和层数，获得不同导电性的含氮石墨烯，通过氮含量和氮形态的改变，对石墨烯的化学性质进行了改变；在电催化剂构筑方面，并利用氮原子的锚定和配位作用，发展了能方便负载铂及其合金纳米颗粒的技术路线，构建了系列纳米复合催化剂；在电催化性能方面，对电催化剂的甲醇氧化、氧还原性能进行了测试，部分催化剂显示了良好的应用前景。为了实现石墨烯在电极中的应用，我们在粉体材料研制的同时，对宏观结构进行控制，如利用二价金属离子(Ca2+、Ni2+和Co2+等)与石墨烯的含氧官能团形成的化学键，与水分子形成的氢键和石墨烯片层边缘的π-π堆叠等相互作用，把石墨烯片由高分散状态组装成三维石墨烯水凝胶结构；采用简单的一步电沉积法合成了石墨烯和聚苯胺的复合膜，所制得的复合膜具有层状结构且石墨烯纳米片被聚苯胺层均匀包裹，形成了大的比表面积和高的电导性能。申请中国发明专利6项，获批2项，在Angew. Chem. Int. Ed.、 Adv. Mater.、 Adv. Funct. Mater.、Chem. Commun.、J. Mater. Chem.、J. Phys. Chem. C等刊物上发表论文20篇。