利用室温常压等离子体制备区域性氮掺杂石墨烯的结构和性能的研究

The application of room temperature atmospheric plasma to synthesize patterned functionalized graphene is proposed. Compared with the previous methods, this approach shows two advantages. Firstly, the treating process is performed under ambient conditions, without the need of vacuum or high temperature circumstances. Secondly, the patterned functionalization can be realized without the use of masks, which not only significantly simplify the synthesizing process, but also completely eliminate the unintentional alteration of graphene properties possibly aroused by the residual of the mask. The proposal contains the following aspects to study the patterned functionalized graphene synthesized with room temperature atmospheric plasma. Firstly, the method for controlling the doping area accurately will be examined. Secondly, the structure of the nitrogen impurities will be studied by XPS and Raman methods, and nuclear magnetic resonance will be applied to examined the spatially distribution of nitrogen. Thirdly, the electronic properties of the synthesized material will be examined, and the relationship between the structure of nitrogen impurities and the electronic properties of the material will be established.

在本项目中，我们提出利用室温常压等离子的方法来对石墨烯进行区域性氮掺杂处理。同其他技术相比，这一处理过程在室温常压的条件下即可进行，处理过程简单易行，不需要任何苛刻的条件，同时对区域性的控制并不需要使用任何形式的掩模板，大大简化了处理过程，同时杜绝了额外杂质掺入的可能性。本项目拟从以下几个方面对室温常压等离子体区域性氮掺杂石墨烯进行研究。首先，探索出能够精确控制氮掺杂区域性的处理条件；其次，对不同的处理条件所形成杂质氮的结构进行研究，利用核磁共振结合XPS，拉曼等方法，对不同的氮的结构的分布进行研究；最后，对处理后的材料性能进行测试，建立起不同的氮的结构的分布与其性能的有机联系。

随着柔性电子技术的迅猛发展，柔性电子器件在信息、能源、医疗、国防等领域的重要作用越来突显。碳材料由于具有高的柔韧性、导电、化学稳定性质量轻等优点，是用来制作柔性功能器件理想材料。本项目利用室温常压等离子体微束结合电化学处理的方法，对碳材料进行活化及改性。系统研究了不同处理工艺参数下，碳基材料薄膜微结构及性能的演变规律，并对可控改性的机理进行了探讨。主要成果如下：(1)利用氦气室温常压等离子体微束实现了聚苯胺纳米纤维彼此焊接互连，同时也实现聚苯胺纳米纤维薄膜的区域可控掺杂。并结合尖端放电理论解释了氦气离子体射流微束诱导聚苯胺纳米纤维发生焊接互联的原因。（2）利用这一原理，我们利用室温常压等离子体微束实现了纳米银线薄膜的加工。当使用功率较低的冷等离子体微束处理时，该工艺能够将分离的纳米线焊接起来，降低了接触电阻。当利用功率较高的冷等离子体微束处理时，能够将的纳米银线区域性刻蚀掉。经过处理后的区域不再导电。这实现了快速、低成本、高效率地制备出抗弯折能力强的图案化纳米银透明导电薄膜。（3）在此基础上，我们实现了碳纳米管薄膜的无掩模板区域性刻蚀。并制备出了以银纳米线为集流器，碳纳米管为活性材料的交叉指状微超级电容器。其展现出良好电化学性能。（4）利用电化学活化功能化的方法，我们分别对碳纤维及碳纸进行处理，得到多层石墨烯结构的复合材料。展现出了优异的电化学性能和实际应用价值，这为制备高性能超级电容器提供了新的思路。截止目前，项目取得的相关研究成果已经在Nanoscale、Electrochimica Acta等国际学术期刊上发表SCI收录论文5篇，申请专利2项授权1项，毕业博士研究生2名。