石墨烯片层具有特殊的物理、化学性质,但这并不意味着由石墨烯组装而成的器件就会展现出高的性能。根据应用的需求,我们以石墨烯片层为构筑单元,对其进行微观、宏观结构调控及功能化,为寻求高效的能量储存和转换材料提供了理论基础和实验依据。主要研究内容如下:一、石墨烯基材料的微观调控石墨烯的微观调控,也叫本征调控,通过改变基元碳的化学环境,使其性质发生变化,以产生有别于原始石墨烯的功能。主要包括杂原子掺杂,缺陷以及尺寸的控制。1.作为锂离子电池负极材料,商业石墨的理论容量较低。我们利用原位剥离碳胶囊的方法制备出N,S共掺杂的“石墨烯片-纳米胶囊”结构。N,S元素的掺杂,小尺寸石墨烯片中大量的边缘结构,胶囊壁上丰富的缺陷,以及碳胶囊本身保持的高导电性,使该材料成为具有高容量,长寿命和优越倍率性能的储锂负极材料。2.开发出高掺N量的类石墨烯胶囊,较大的比表面积和高的N含量使该材料可以作为高效的氧还原反应催化剂和锂离子电池负极材料。另外,制备胶囊过程中,在类石墨烯片层上原位生长了竹节状碳纳米管须,得到了碳管包覆石墨烯胶囊的海胆状结构,结构中产生大量的微孔、介孔和缺陷。样品维持了高的掺氮量的同时,导电性有所提高。这些特点为材料作为高效氧还原反应催化剂和锂离子电池负极材料提供了丰富的活性位点、快速的电子传输和物质交换路径,使组成器件性能上有很大的突破。二、石墨烯宏观结构组装的研究一维的纤维状石墨烯质量轻,可编织,易功能化;多孔、网络状的三维石墨烯具有导电性好、比表面积大、可压缩等特点。我们研究了石墨烯的一维和三维宏观组装。1.利用双重区域限定的方法,首次制备出直径可控的一维石墨烯微米管。这种具有超轻、超强、高导电性、好的柔韧性等特点的微米管可以被塑形成分级、多通道结构;同时我们还对所得微米管成功进行了靶向功能化修饰(外壁修饰,内壁修饰,内/外壁修饰,壁内修饰)。2.发展了一种“活性基底辅助还原氧化石墨烯”的方法,将氧化石墨烯(GO)还原并三维组装到任意基底上,探讨了相关的反应机理,为石墨烯的组装、应用,提供了简单、有效的途径。三、溶剂热法组装三维石墨烯及对石墨烯的功能化研究在三维组装的同时,将石墨烯按照特定的组成和结构进行原位功能化1.开发了“二次活性基底辅助还原”的普适方法合成多种金属基纳米结构功能化的三维石墨烯。首先,在活性基底上实现对GO的还原和三维组装;再以石墨烯纳米片为正极,在上面沉积金属(M)相关的成分。合成了包括M、金属氧化物(M2On)、M-M2On、M2On、合金等功能化的石墨烯,并被成功用作燃料电池催化剂、锂离子电池负极材料、光电转换材料、磁性吸波材料等。2.设计与合成了三维石墨烯负载低Pt载量的异质结构(Pt/PdCu空方块,Pd2/PtFe网,gC3N4-Pt杂化结构)系列燃料电池催化剂。异质结构元素间的协同作用,加之三维多孔的导电载体为催化位点接触燃料分子提供了最大限度的可能,使催化剂表现出了高活性,高抗中毒能力,以及良好的稳定性;制备了三维石墨烯负载PdCu胶囊的无Pt催化剂。经过特定的活化过程,该材料表现出了比Pt基商业催化剂更为优越的乙醇催化性能。