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摘 要

：石墨烯于2004首次被制备出来，因其优异的物理化学性质成为了研究者的广泛研究兴趣。然而惰性的石墨烯并不利于其在表面化学等领域的应用，通过外在方法调控石墨烯的物理和化学性质能够极大地拓展石墨烯的应用范围，各种调控物性的方法中，掺杂是使用最广泛和最有效的手段之一，特别是氮掺杂石墨烯因其独特的特性已被广泛应用于光伏产业和催化等重要领域。本论文主要讲述了石墨烯的发现历史及其物理、化学性质，还有关于氮掺杂石墨烯的主要几种制备方法，并通过对于氮掺杂石墨烯的研究，总结了几种较为完善的应用，由此，我们可以做出定论：氮掺杂石墨烯作为石墨烯的复合材料，对石墨烯的各个方面都具有拓展作用，今后氮掺杂石墨烯也将是一个十分重要的研究课题。

关键词：石墨烯；氮掺杂；合成方法；应用

Abstract ：Since 2004, graphene has received extensive research interest due to its extraordinary physical and chemical properties. However, the inert basal plane of graphene make it not suited to surface science. Chemically tuning of physical and chemical properties of graphene can greatly expand its applications. Currently, many methods have been put forward to alter chemical properties, of which the chemical doping is widely used and can effectively modify chemical properties. Nitrogen-doped graphene has been widely used in important fields such as photovoltaic industry due to its unique characteristics. In this study, we firstly review the story of the discovery of graphene history and its physical and chemical properties, Afterwards, we summarize the various synthesis method of nitrogen-doped graphene. Finally, we introduce some appealing applications of nitrogen-doped graphene. Based on these results, we can conclude that nitrogen-doped graphene as graphene composites, plays an expanding role in all aspects of graphene, nitrogen-doped graphene in the future will be a very important research subject.

Keywords：Graphene. Nitrogen doping; Synthesis method; application

目 录

1. 引言 5

1.1 石墨烯的发现历史 5

1.2 石墨烯的物理和化学性质 6

1.3 氮掺杂石墨烯的性质 6

2. 合成方法 7

2.1 化学气相沉积（CVD）法 7

2.2 溶剂热法 8

2.3电弧放电法 9

2.4 热处理方法 9

2.5 水合肼处理法 10

3. 应用 10

3.1 锂电池催化剂 10

3.2 燃料电池催化剂 10

3.3 超级电容器 11

3.4 场效应晶体管 11

结论 12

参考文献 13

致谢 15

1. 引言

随着研究的不断深入，石墨烯这一新材料被广泛应用于各大领域中，基于对于石墨烯的需求，石墨烯基复合材料成为了人们研究方向。本文系统描述了氮掺杂石墨烯的主要制备方法及其相关应用，并对如今氮掺杂石墨烯的现状进行了一定的分析。

1.1 石墨烯的发现历史

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二维单层碳纳米材料^[1]。这种单原子层的石墨烯层层叠加起来就是石墨，石墨是天然存在于自然界中的^[2]，但由于科学技术的不成熟及在当时的时代下，人们的思维受到了局限，致使人们直到2004年才首次从石墨中剥离出单层和少层石墨烯。石墨烯自发现以来，实验和理论研究揭示出石墨烯具有多种优异的物理和化学性质，比如超高的载流子迁移率等，因而受到研究者和工业界的广泛研究兴趣，被认为是一种跨时代的新材料。当初运用机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯的两名科学家也获得了当年的诺贝尔物理学奖，由此足见石墨烯对于当时的科学技术发展的重要性。

石墨烯是一种包装在六方晶格中具有单层碳的新型纳米材料原子。自从2004年Geim等人通过机械剥离方法从石墨中分离出少层石墨烯，石墨烯成为近十年来最活跃的研究领域之一。石墨烯具有众多奇异的性质，如高表面积（2630 m²/g），高导热率（~5000 W/m-K），带电载流子迁移率（~200000 cm²/V-s），强巨大的杨氏模量（~1 TPa），除了二维石墨烯外，石墨烯还存在很多衍生结构，比如，三维石墨烯纳米片（GNS），一维石墨烯纳米带（GNR）和零维石墨烯量子点（GQD）。GNR和GQD的很多性质可以通过它们的大小和边界性质进行调控。例如，这些特殊的物理和化学性质使得石墨烯材料在多个领域有着广泛的潜在应用价值，比如能量转换和存储，电催化，传感器和电子器件。除此以外，化学掺杂是另一种调控石墨烯性质的重要方法，类似方法已广泛应用在碳纳米管的掺杂中，掺杂后的碳纳米管大大拓宽了应用范围。通常，有两种方法来化学掺杂石墨烯：（1）在石墨烯表面吸附气体，金属或有机分子；（2）引入杂原子替代掺杂如氮原子和硼原子，替代碳原子进入石墨烯的碳晶格。这两个方法可以调节石墨烯的电子性质。

1.2 石墨烯的物理和化学性质

物理性质：1、石墨烯是已知力学强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，非常小的弯曲模量使得石墨烯容易弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1.0 TPa，固有的拉伸强度为130 GPa；2、石墨烯具有非常好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300 W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管（3500 W/mK）和多壁碳纳米管（3000 W/mK）；3、石墨烯具有非常良好的光学特性，在较宽波长范围内吸收率约为2.3 %，且其光学特性随石墨烯厚度的改变而发生变化。

化学性质：1、氧化性：可与活泼金属反应，或是在空气中被氧化；2、还原性：可被氧化性酸氧化；3、稳定性：石墨烯的结构非常稳定，碳碳键长仅为1.42 Å。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外，由于原子间作用力极强，在常温下，即使周围发生碰撞，石墨烯内部电子难以受到太大的干扰。

1.3 氮掺杂石墨烯的性质

石墨烯是一种划时代的新材料，但由于实验等方面对其性能的要求，人们需要对其进行改性，而最有效的一种方式，就是对其进行掺杂，在各种可能的掺杂物中，N掺杂的碳材料具有吸引力。由于其优良的电催化性能、成本低、性能优良稳定和环境友好，从而建立了新一代的无金属催化剂。此外，当有过多的价态氮引入石墨平面时，可以获得更多的π电子。这一特点，加上显著的差异。N和C的电负性导致石墨碳的许多独特性质，包括增加n型载流子浓度，高表面能，减少工作功能，以及可调偏振。

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