University of Groningen
Nanostructured graphene
Lu, Liqiang
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2018
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Lu, L. (2018). Nanostructured graphene: Forms, synthesis, properties and applications. Rijksuniversiteit Groningen.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Samenvatting
157
Samenvatting
Grafeen is een buitengewoon materiaal vanwege de tamelijk unieke mechanische, thermische en elektrische eigenschappen. Het draagt potentiële toepassingen op verschillende gebieden, zoals elektronica, energieopslag en conversie, halfgeleiders, milieu, composieten, sensoren, biologie en biomedische engineering. De eigenschappen en toepassingen van het grafeen variëren met de dimensionaliteit. Dit proefschrift begon met 3D-schuimachtig grafeen tot grafeenfilm en tot 0D grafeenkwantumdots, van macroporeus tot nanoporeus. Het werk aan synthese, prestaties en toepassingen op verschillende gebieden, b.v. elektrochemische energieopslag, optische en celafbeeldingen.
Nanoporeuze metalen zijn belangrijke matrijzen van de synthese van 3D-schuimachtig grafeen. Hoofdstuk 3 illustreert een nieuwe en veelzijdige matrijsvrije methode voor de synthese van nanoporeuze metalen door waterstofreductie van metaalzouten. Het is een aanpak in één stap, maar kan betrekking hebben op ontbinding, reductie en metaalgroei. De zo verkregen poreuze architecturen van metalen bezitten een topologisch ongeordende structuur. De poriegrootte en ligamentgrootte kunnen worden aangepast van tientallen nanometer tot micrometers. De vormen van poreuze metalen kunnen poedervormig zijn, maar ook in chips en bulks. De poreuze metalen kunnen Ni, Cu, Fe evenals andere metalen en legeringen zijn. Het formatiemechanisme van het nanoporeuze metaal is kwalitatief uitgelegd. Naast de regelbare synthese worden ook de geleidbaarheid en toepassing van nanoporeus Ni als bindmiddelvrije stroomcollectoren van lithium-ionbatterijen onderzocht. In vergelijking met het commerciële macroporeuze Ni, leveren de op nanoporeuze gebaseerde elektroden verbeterde omkeerbare capaciteiten en cyclische prestaties.
Om verschillende problemen van CVD-groei van nanoporeus grafeen te overwinnen, wordt in hoofdstuk 4 een nieuwe benadering van vastestof-groei van nanoporeus grafeen bij lage temperaturen (600-800 °C) onderzocht door de nanoporeuze metaalmatrijzen die zijn ontwikkeld als katalysatoren. Het gesynthetiseerde nanoporeuze grafeen bestaat uit 3D onderling verbonden buisvormige poriën en niet-buisvormige poriën. De wanddikte kan worden geregeld van monolaag tot multilaag. De poriegroottes kunnen aangepast worden van tientallen nanometers tot honderden nanometers door nanoporeuze Ni-matrijzen te variëren. Verschillende vormen van poeders en tot macroscopische schuimen worden gesynthetiseerd. Er wordt een hoog specifiek oppervlak van 555 m2 g-1 bereikt. Nanoporeus grafeen wordt gebruikt als gastmateriaal voor zwavel in
Samenvatting
158
voorgesteld door inkapseling van zwavel in de buisvormige poriën. De composieten vertoonden uitstekende elektrochemische prestaties, zoals verbeterde capaciteiten en cyclische prestaties. De capacitieve en cyclische prestaties vertoonden grote verbeteringen met het verminderen van de buisvormige poriegrootte van 1,000 tot 50 nm en met het verhogen van het porievolume.
Hoofdstuk 5 toont een driedimensionaal onderling verbonden macroporeus grafeenschuim (3D-MPGF). Omdat onze ontwikkelde matrijsvrije synthese van poreus metaal plaatsvindt in een gasachtige atmosfeer, worden de synthese van poreus metaal en APCVD-groei van grafeen gecombineerd in één procesroute, waardoor 3D-MPGF wordt gesynthetiseerd. Vergeleken met meerstaps synthese van poreus metaal door dealloying gevolgd door CVD, is deze methode snel, goedkoop en duurzaam omdat het metaalafval dat wordt gegenereerd door etsen gemakkelijk kan worden gerecycled. 3D-MPGF omvat een poriegrootte van honderden nanometer tot meerdere microns en afstembare wanddikte van enkele tot tien atomaire lagen van grafeen. De dichtheid is slechts 20-37,5 mg cm-3.
Vanwege de goede geleidbaarheid en lage dichtheid is de belangrijke toepassing van 3D-MPGF als lichtgewicht bindmiddelvrije stroomcollectoren van batterijen. Derhalve worden samengestelde 3D-MPGF-S-elektroden met zwavelbelasting van 2,5 tot 13 mg cm-2 gesynthetiseerd. De elektrode levert een hoge initiële capaciteit
van 844 mAh g-1 (gebaseerd op het gewicht van de elektrode, de S-belasting van 2,5
mg cm-2) en handhaaft na 50 cycli bij 400 mAh g-1. Bovendien bereiken de
oppervlaktecapaciteiten van 3D-MPGF/S met een zwavelbelasting van 13 mg cm-2
5,9 mAh cm-2 na 50 cycli. Het gebruik van 3D-macroporeus grafeenschuim zal de
specifieke capaciteiten en energiedichtheden van alle elektroden aanzienlijk verhogen, niet alleen voor batterijen, maar ook voor andere energieopslagapparaten.
In hoofdstuk 6 wordt de synthese van grafeenfilm met behulp van diffusie-geassisteerde benadering bij lage temperatuur onderzocht. De procesroute wordt geïllustreerd op een vrij oppervlak van Ni-katalysatorfilm door vacuüm-thermische verwerking van amorfe koolstof. Sleutel van de benadering is dat de synthese wordt gedaan bij een temperatuur lager dan 350 °C, en binnen een tijd van slechts één minuut. De nucleatie en groei van grafeen op het vrije oppervlak van nikkel en langs het grensvlak tussen Ni-film en SiO2-substraat worden onderzocht.
Raman-spectroscopie en HR-TEM-microscoop tonen aan dat de op grafeen gebaseerde koolstoffilms bestaan uit grafietkoolstof verrijkt met defecten. Het grafeen gegroeid op het vrije Ni-oppervlak is een multilaag. De grafeensegmenten hebben een afmeting van een micrometer en zijn onderling verbonden over het gehele oppervlak van de Ni-katalysator. Groeiparameters zoals groeitijd, groeitemperatuur en koolstof/Ni-verhouding worden in detail onderzocht voor een controle van grafeengroeikinetiek. De resultaten wijzen naar verschillende aantrekkelijke strategieën voor de gemakkelijke synthese van op grafeen gebaseerde koolstopfilms voor industriële toepassingen.
Samenvatting
159
Hoofdstuk 7 presenteert een milieuvriendelijke, snelle en industrieel veelbelovende methode via een ultrasone ondersteunde vloeistoffase-exfoliatie van overvloedige koolstofvoedingen voor het synthetiseren van GQD's op grote schaal. De productieopbrengst van GQD's in N-methyl-2-pyrrolidon (NMP) kan 3,8 mg mL-1 bereiken. GQD's met verschillende grootten, structuren en defectgehaltes
werden verkregen door het gebruik van verschillende grafietkoolstofprecursors voor exfoliatie. Twee typen van GQD's met vele defecten en GQD's met weinige defecten worden gesynthetiseerd uit respectievelijk acetyleenzwart en nanografiet. Door luminescente en absorptie-onderzoeken werden verschillende eigenschappen van lichtabsorptie en fotoluminescentie (PL) geïdentificeerd. De verschillende randstructuren, defectinhoud en -afmetingen van GQD's zijn verantwoordelijk voor de variatie van luminescerende eigenschappen die wordt geïnduceerd door het veranderen van de excitatiegolflengte en de pH-waarden van de GQD-dispersies. Toegeschreven aan de hoge waterdispersie, uitstekende biocompatibiliteit en regelbare fluorescente prestaties, vertonen de gesynthetiseerde HD-GQD's een hoge potentie als fluorescentie nanoprobes voor bio-afbeelding.
