石墨烯结构调控功能组装及其应用研究

石墨烯是sp2杂化单原子层的二维晶体，具有独特的电学、机械、热学性质，兼具大的比表面积和较低的制造成本等，近年来引起了科研人员的广泛关注。通常情况下，石墨烯的改性和组装可以通过以下两种途径进行实现：一种是石墨烯的本征结构调控，例如通过原位电化学切割、纳米限域反应等策略实现石墨烯量子点光电特性的调控和高均一性孔缺陷结构的构筑；另一种是石墨烯的功能组装，涉及宏观一维石墨烯纤维（或微管）、超轻石墨烯泡沫及可形变三维石墨烯水凝胶等。本文以石墨烯为基础材料，介绍了石墨烯微纳结构调控和组装的研究进展情况。在此基础上，介绍了具有新型结构的石墨烯功能组装体的独特性质及其在电化学能量转换和储存方面的应用研究。

赵扬，北京理工大学，特别研究员、硕士/博士生导师。主要从事石墨烯等碳基微纳功能结构的设计与合成、功能组装及应用研究。累计共发表SCI论文80余篇，其中包括 J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.等，文章引用次数达9000余次。授权专利4项，其中1项成果已经产业化。获北京市自然科学基金优秀青年人才荣誉称号，主持多项国家及省部级项目。 曲良体，2004年博士毕业于清华大学化学系。主要围绕碳基、高分子基纳微米材料开展研究，包括功能结构与材料制备、先进能源器件、激光微纳制造等方面。在Science, Nat. Nanotech., Chem. Rev., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Nano Lett.等国际重要期刊发表论文200余篇，论文他引万余次，单篇论文最高他引2000余次。受邀请在Chemical Reviews, Nature Review Naterials等撰写综述论文20余篇，英文专著6章，国际国内发明专利30余项。研究工作被Nature等专业刊物报道。获得2013年国家杰出青年基金获得者；2014年教育部“长江学者”特聘教授；2014年科技部中青年科技创新领军人才; 2016年“万人计划”科技创新领军人才；2017年入选国家“百千万人才工程”。获国家自然科学二等奖1项（第二获奖人）和教育部自然科学一等奖1项（第五获奖人）。

第1章 绪论 1.1 石墨烯简介 1.1.1 石墨烯的研究历史 1.1.2 石墨烯的结构与性质 1.1.3 石墨烯的制备方法 1.2 石墨烯的结构调控 1.2.1 石墨烯的分子调控 1.2.2 石墨烯的尺寸调控 1.3 石墨烯的组装 1.3.1 石墨烯的自组装 1.3.2 石墨烯的共组装 1.4 基于石墨烯及其功能组装体的应用 1.4.1 氧还原反应 1.4.2 超级电容器 1.4.3 电催化产氢 1.5 选题依据和研究目的 参考文献 第2章 零维氮掺杂石墨烯量子点的制备及其氧还原性能研究 2.1 引言 2.2 实验方法 2.2.1 原料 2.2.2 氧化石墨烯溶液的合成 2.2.3 石墨烯薄膜的制备 2.2.4 氮掺杂石墨烯量子点的合成 2.2.5 氮掺杂石墨烯量子点/石墨烯的合成 2.2.6 仪器测试 2.3 结果与讨论 2.3.1 氮掺杂石墨烯量子点的物性表征 2.3.2 氮掺杂石墨烯量子点/石墨烯的氧还原性能研究 2.4 本章小结 参考文献 第3章 石墨烯功能化组装——一维石墨烯基材的中空纤维 3.1 引言 3.2 实验方法 3.2.1 原料 3.2.2 氧化石墨烯溶液的合成 3.2.3 氧化石墨烯/石墨烯中空纤维的可控制备 3.2.4 功能化氧化石墨烯/石墨烯中空纤维的可控制备 3.2.5 “项链”结构的氧化石墨烯/石墨烯中空纤维的可控制备 3.2.6 仪器测试 3.3 结果与讨论 3.3.1 氧化石墨烯中空纤维的结构表征 3.3.2 氧化石墨烯功能化中空纤维的结构表征 3.3.3 石墨烯及其功能化中空纤维的结构表征与性能研究 3.3.4 “项链”结构的氧化石墨烯/石墨烯中空纤维的结构表征 3.4 本章小结 参考文献 第4章 石墨烯功能结构组装——三维超轻石墨烯网络结构及性能研究 4.1 引言 4.2 三维超轻石墨烯的功能组装 4.2.1 初始原料选取 4.2.2 氧化石墨烯溶液的合成 4.2.3 超轻石墨烯的制备 4.2.4 仪器测试条件 4.3 超轻石墨烯的结构表征 4.3.1 形成机制 4.3.2 形貌表征 4.3.3 结构与组成表征 4.4 超轻石墨烯的热稳定性及吸附性能研究 4.4.1 热稳定性能研究 4.4.2 吸附性能研究 4.5 超轻石墨烯的超级电容器性能研究 4.6 超轻石墨烯的氧还原性能研究 4.7 本章小结 参考文献 第5章 石墨烯功能结构组装——石墨烯纳米网孔的三维网络结构及其电催化性能研究 5.1 引言 5.2 三维石墨烯纳米网孔结构的制备与结构调控 5.2.1 初始原料选取 5.2.2 氧化石墨烯溶液的合成 5.2.3 三维石墨烯纳米网孔的制备 5.2.4 氮掺杂三维石墨烯纳米网孔的制备 5.2.5 硫掺杂三维石墨烯纳米网孔的制备 5.2.6 氮和硫共掺杂三维石墨烯纳米网孔的制备 5.2.7 其他参照样品的制备 5.2.8 仪器测试条件 5.3 氮掺杂三维石墨烯纳米网孔的结构表征及电催化性能研究 5.3.1 氮掺杂三维石墨烯纳米网孔的结构表征 5.3.2 氮掺杂三维石墨烯纳米网孔的电化学活性研究 5.4 氮和硫共掺杂三维石墨烯纳米网孔的结构表征及电催化性能研究 5.4.1 氮和硫共掺杂三维石墨烯纳米网孔的结构表征 5.4.2 氮和硫共掺杂三维石墨烯纳米网孔的电催化性能研究 5.5 本章小结 参考文献 第6章 石墨烯功能复合组装——三维可压缩石墨烯/聚吡咯的复合水凝胶及在新型可压缩电容器中的应用 6.1 引言 6.2 实验方法 6.2.1 原料 6.2.2 氧化石墨烯溶液的合成 6.2.3 石墨烯/聚吡咯复合水凝胶的制备 6.2.4 仪器测试 6.3 结果与讨论 6.3.1 石墨烯/聚吡咯复合水凝胶的结构表征 6.3.2 石墨烯/聚吡咯复合水凝胶的力学性能研究 6.3.3 石墨烯/聚吡咯复合水凝胶可压缩超级电容器的研究 6.4 本章小结 参考文献 第7章 石墨烯功能复合组装——石墨烯/石墨化氮化碳纳米条带的组装及其电催化性能研究 7。1引言 7.2 实验方法 7.2.1 原料 7.2.2 氧化石墨烯溶液的合成 7.2.3 石墨化氮化碳的制备 7.2.4 石墨烯/石墨化氮化碳纳米条带复合材料的制备 7.2.5 仪器测试 7.3 结果与讨论 7.3.1 石墨烯/石墨化氮化碳纳米条带复合材料的结构表征 7.3.2 石墨烯/石墨化氮化碳纳米条带复合材料的电催化性能研究 7.3.3 石墨化氮化碳纳米条带结构在石墨烯表面的形成机理 7.4 本章小结 参考文献 第8章 结论与展望 8.1 结论 8.2 展望