商品簡介
《石墨烯合成及鐵磁性》共三大部分，六個章節。第一部分為石墨烯研究背景、性能及應用闡述，第二部分為自蔓延高溫合成法制備石墨烯及摻氮石墨烯的方法及表征，第三部分為自蔓延高溫石墨烯及摻氮石墨烯的鐵磁性能研究。石墨烯合成及鐵磁性能的影響因素關鍵在於反應物碳源及氮源的種類及比例。本書旨在闡述自蔓延高溫合成法制備石墨烯及摻氮石墨烯的合成機制、石墨烯鐵磁性能的產生原因及石墨烯結構缺陷的調控等科學問題；通過構建利於含缺陷石墨烯合成的碳源及氮源組群，解決石墨烯缺陷調控複雜技術問題；通過對石墨烯進行高溫真空退火-氧化處理方式，使石墨烯鐵磁性能發生變化，並進一步闡述現有石墨烯缺陷調控方法，以期為未來新型非金屬材料的應用提供新材料、新理論。本書可供材料科學等相關專業的科研工作者和技術人員參考。
作者簡介
苗卿華，哈爾濱商業大學能源與建築工程學院，副教授，作者在多年從事石墨烯相關科研工作，利用自蔓延高溫合成法，分別以碳酸鈣、葡萄糖、蔗糖、澱粉等為碳源，成功制備出具有多褶皺結構的少層石墨烯。同時分別以尿素和普魯士藍為氮源、以碳酸鈣為碳源，制備出不同氮含量及不同氮原子結構的摻氮石墨烯，通過對制得的石墨烯及摻氮石墨烯進行檢測得知，該石墨烯及摻氮石墨烯均具有明顯的室溫鐵磁性能。以上內容發表SCI論文3篇，發明專利2篇。
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《石墨烯合成及鐵磁性》旨在通過石墨烯制備及後處理工藝研究,合理調控石墨烯缺陷;明確制備方法及處理過程對石墨烯缺陷類型及密度的影響,揭示石墨烯缺陷調控對鐵磁性能的影響機理及關鍵因素。結合第 一性原理計算,構建並完善石墨烯鐵磁性能的量化及調控方法。《石墨烯合成及鐵磁性》中所述科研成果渴望能夠為含缺陷石墨烯的合成、後處理及其鐵磁性能的調控提供新方法、新理論基礎和調控關鍵技術支撐 ,為非金屬磁性材料的應用提供理論和技術支撐。
序
石墨烯是一類由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂窩狀晶格結構的碳質材料，自 2004 年被發現以來，已經在理論科學及實驗科學等多方面受到極大關注。由於石墨烯材料具有較特殊的納米結構及諸多優異的性能，使其已經在光學、電子學、生物醫學、儲能、傳感器及磁性等諸多領域顯示出了巨大的應用潛能。
目前，常用的石墨烯制備方法有微機械剝離法、化學氣相沉積法、化學氧化還原法等。化學氣相沉積法常用於合成結構完整的少層石墨烯，但該方法對設備要求較高，且操作複雜；化學氧化還原法的操作過程簡單，但合成的石墨烯缺陷較多，石墨烯無法進行完全還原；機械剝離法制得的石墨烯層數較少、質量好，但產量較低。本書採用一種遠離平衡態的自蔓延高溫合成法制備石墨烯，通過 X 射線衍射（XRD）、拉曼光譜（Raman spectrum）、X 射線光電子能譜（XPS）、掃描電子顯微鏡（SEM）及透射電子顯微鏡（TEM）等方法對石墨烯組織形貌進行表征；同時利用超導量子干涉儀（SQUID）對石墨烯進行磁性檢測；考察不同種類及比例的碳源、氮源對石墨烯及摻氮石墨烯的微觀結構、元素組成含量及性質的影響，並圍繞自蔓延高溫合成法制得的石墨烯及摻氮石墨烯所具備的獨特的鐵磁性能進行了詳細的研究。
以不同碳源及氮源制得的少層石墨烯及摻氮石墨烯多為具有褶皺的三維少層結構，生長過程多以氧化物作為模板圍繞其周圍進行生長。通過對其結構進行表征可知，不同碳源及反應物比例均能對石墨烯微觀結構及缺陷密度有明顯影響。標準化學計量比反應物獲得的石墨烯片層尺寸更好，結構更完整。在摻氮石墨烯中氮含量越高，石墨烯片層越薄，層數更少，且其中吡咯氮含量也隨之增加。
自蔓延高溫合成的石墨烯具有顯著的室溫鐵磁性能，且其飽和磁化強度隨著處理溫度的不同發生明顯變化。通過分析可知，石墨烯鐵磁性強度是由包含碳六元環破壞引起的缺陷及含氧官能團引起的缺陷在內的兩個方面共同作用的結果。氮元素含量及結構的變化均會影響石墨烯鐵磁性能發生相應改變。
由於作者時間和水平有限，書中難免存在疏漏，敬請廣大讀者批評指正。
作者
2023年5月
目次
第1章緒論1
1.1背景2
1.2主要內容3
第2章石墨烯的概述5
2.1引言6
2.2石墨烯的結構特徵8
2.3石墨烯的性質特徵9
2.3.1電子特性9
2.3.2光學特性12
2.3.3機械特性12
2.3.4熱學特性13
2.4石墨烯的應用14
2.4.1氣體分析16
2.4.2離子分析16
2.4.3催化17
2.4.4神經遞質分析17
2.4.5蛋白質分析19
2.4.6DNA分析20
2.4.7藥物輸送22
2.4.8細胞成像23
2.4.9體內實時監控24
2.4.10癌症治療25
2.4.11電極29
2.4.12晶體管31
2.4.13化學/生物傳感器32
2.4.14超級電容器34
2.5石墨烯的制備37
2.5.1自上而下方式38
2.5.2自下而上方式44
2.5.3其他方法50
2.6石墨烯的鐵磁性56
2.6.1石墨烯鐵磁性的研究現狀57
2.6.2石墨烯鐵磁性的產生原理59
2.7本書的主要研究內容62
第3章實驗材料及方法63
3.1實驗材料64
3.2結構與性能的評價方法64
3.2.1形貌分析方法64
3.2.2結構分析方法65
3.2.3光譜分析方法65
3.2.4理化性能評價方法66
第4章少層石墨烯的自蔓延高溫制備及表征67
4.1引言68
4.2以鎂粉和碳酸鈣為原料自蔓延高溫制備少層石墨烯69
4.2.1反應物配比及反應裝置示意圖69
4.2.2自蔓延高溫合成制備石墨烯的熱力學分析70
4.2.3少層石墨烯的組織形貌分析71
4.3以鎂粉和糖類為原料自蔓延高溫制備少層石墨烯88
4.3.1反應物原料及配比88
4.3.2少層石墨烯的組織形貌分析89
4.4本章小結103
第5章摻氮石墨烯的自蔓延高溫方法制備及表征105
5.1引言106
5.2以普魯士藍為氮源自蔓延高溫制備摻氮石墨烯109
5.2.1反應物原料及配比109
5.2.2摻氮石墨烯的組織形貌分析110
5.3以尿素為氮源自蔓延高溫制備摻氮石墨烯121
5.3.1反應物原料及配比121
5.3.2摻氮石墨烯的組織形貌分析123
5.4本章小結141
第6章自蔓延高溫制備石墨烯的鐵磁性能研究143
6.1引言144
6.2少層石墨烯的鐵磁性能研究145
6.2.1少層石墨烯的熱處理方法145
6.2.2熱處理對少層石墨烯組織形貌的影響146
6.2.3熱處理對少層石墨烯鐵磁性能的影響159
6.3摻氮石墨烯的鐵磁性能研究161
6.3.1室溫下摻氮石墨烯的鐵磁性能分析161
6.3.2熱處理對摻氮石墨烯鐵磁性能的影響168
6.4本章小結174
結論175
參考文獻177
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