纳米碳材料结构调控及应用研究

发布时间：2017-11-01 10:29

  本文关键词：纳米碳材料结构调控及应用研究

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【摘要】：SP2杂化碳构成的纳米碳材料(石墨烯和碳纳米管)以其优异的物理、化学性能,已在诸多应用领域得到了关注,特别是近年来随着智能可穿戴设备的兴起,因此如何将这种性能优异的碳纳米材料,尤其是石墨烯,组装成为柔性可编织的纤维并将其应用于便携式器件更是目前研究的热点。在纳米材料的组装过程中,通过对结构进行可设计调控,往往能得到更具特性的结果,尤其在传感、智能响应及储能器件等方面。因此,本论文首先以湿法纺丝制备石墨烯纤维技术基础为基础,通过对纺丝过程的设计,探索制备了多股融合石墨烯纤维、多螺旋氧化石墨烯纤维。同时,通过大电流对负载I的石墨烯纤维处理,得到了三维多孔石墨烯纤维,并展开了相应器件研究。其次,还对碳纳米管薄膜通过激光图形化设计,得到了半透明碳纳米管到导电薄膜,并初步探讨了其在智能储能方面的应用。本文的具体内容如下:(1)采用改进的Hummers法得到了高质量、大片的GO水相分散液,并研究了其粘性特点,同时对GO在纺丝过程中的出口胀大进行了研究,得出了胀大比与粘度的关系。对双喷射口胀大效应对纺丝融合的影响进行分析及调整此过程。(2)在多喷丝口直接湿法纺丝过程中引入旋转,实现了多螺旋GOF的直接制备,通过对纤维还原处理方式的调控,得到了多股独立且疏松的多螺旋结构,且纤维具有超长延伸率,其断裂伸长率可达35%。同时该纤维具有很好的结构稳定性,在10%形变下,循环拉伸100次后,纤维表现出良好的结构稳定性。由于得到的多螺旋石墨烯纤维结构特殊,在拉伸过程中出现了电阻值随拉伸形变下降的特点,同时具有良好的循环响应特点。(3)探索了以致密的石墨烯纤维为载体,经过再膨胀的方式制备多孔石墨烯纤维的方法。利用在还原过程中引入的I为膨胀源,在通电过程中石墨烯纤维快速产生的焦耳热为动力,引发I的快速挥发产生多孔结构。此方法制备多孔石墨烯纤维十分迅速,在10 ms内就可以完成处理,同时对石墨烯片层不会产生破坏。大电流膨胀后的纤维体积可以达到处理之前的29倍以上,处理效果十分明显。处理后的纤维电容量可以达到未处理前的20倍,采用固体电解质组装后,得到了柔性的石墨烯纤维超级电容器。(4)对致密的碳纳米管薄膜通过激光刻蚀得到透光性良好的半透明碳纳米管薄膜,并在其表面负载聚苯胺水凝胶,组装得到的超级电容器容量为315 F/g。同时电容器在充放电过程中,随着电压的变化,正极上的聚苯胺依次出现了蓝色、绿色、浅绿色、浅黄色、黄色的相应变化,表现出了很好的智能特性。
【关键词】：石墨烯 湿法纺丝 螺旋纤维 纤维电容器 变色电容器
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TB383.1
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 引言13-14
• 1.2 石墨烯简介14
• 1.3 石墨烯制备方法14-16
• 1.3.1 微机械剥离法14
• 1.3.2 化学气相沉积法14-15
• 1.3.3 外延生长法15
• 1.3.4 氧化还原法15-16
• 1.4 石墨烯纤维制备技术16-20
• 1.4.1 湿法纺丝17-19
• 1.4.2 水热合成法19-20
• 1.4.3 其它方法20
• 1.5 石墨烯纤维基器件研究20-23
• 1.5.1 储能器件20-21
• 1.5.2 传感器件21-22
• 1.5.3 驱动器件22-23
• 1.6 本论文的研究思路和主要内容：23-25
• 第二章 石墨烯并股纤维直接制备技术研究25-42
• 2.1 引言25-26
• 2.2 实验部分26-28
• 2.2.1 原料制备26
• 2.2.2 实验所用仪器26-27
• 2.2.3 GO合成过程27-28
• 2.3 结果与讨论28-40
• 2.3.1 石墨烯表征28-31
• 2.3.2 氧化石墨烯黏度随浓度关系31-32
• 2.3.3 湿法纺丝凝固过程的相分离32-33
• 2.3.4 湿法成型过程运动学33-34
• 2.3.5 单股喷丝口行为34-36
• 2.3.6 双喷丝口湿法行为36-39
• 2.3.7 不同成份纤维融合过程39-40
• 2.4 本章小结40-42
• 第三章 具有高弹性多螺旋石墨烯纤维的直接制备42-56
• 3.1 引言42
• 3.2 实验部分42-44
• 3.2.1 旋转纺丝设备搭建43-44
• 3.2.2 多螺旋石墨烯纤维的直接制备44
• 3.2.3 实验所用表征设备44
• 3.3 结果与讨论44-55
• 3.3.1 多螺旋石墨烯纤维的直接制备44-47
• 3.3.2 还原方式对纤维结构的影响47-49
• 3.3.3 捻度对力学性能研究49-50
• 3.3.4 凝固浴对力学性能研究50-51
• 3.3.5 股数对力学性能的影响51-52
• 3.3.6 循环拉伸性能研究52-53
• 3.3.7 力电性能53-55
• 3.4 本章小结55-56
• 第四章 大电流诱导的多孔石墨烯纤维及其在线性超级电容器方面的研究56-68
• 4.1 引言56
• 4.2 实验过程56-58
• 4.2.1 凝胶电解质的制备56-57
• 4.2.2 三维多孔石墨烯纤维的快速制备57
• 4.2.3 超级电容器的制备57
• 4.2.4 电容器性能测试57-58
• 4.2.5 仪器设备58
• 4.3 结果与讨论58-67
• 4.3.1 多孔石墨烯纤维的制备58-59
• 4.3.2 形貌表征59-60
• 4.3.3 膨胀前后元素含量分析60-61
• 4.3.4 膨胀过程监测61-62
• 4.3.5 膨胀过程中的电性能测试62
• 4.3.6 温度和膨胀关系62-64
• 4.3.7 膨胀属性分析64-65
• 4.3.8 石墨烯纤维电容器电化学性能测试65-67
• 4.4 本章小结67-68
• 第五章 基于多孔碳纳米管薄膜复合水凝胶聚苯胺的智能柔性超级电容器68-77
• 5.1 引言68-69
• 5.2 实验部分69-70
• 5.2.1 材料和设备69
• 5.2.2 仪器69
• 5.2.3 柔性智能电容器制备69-70
• 5.2.4 超级电容组装70
• 5.2.5 电容器性能测试70
• 5.3 结果与讨论70-76
• 5.3.1 电容器制备过程70-71
• 5.3.2 多孔复合电极制备71-72
• 5.3.3 电极微观形貌表征72-73
• 5.3.4 电极成份表征73-74
• 5.3.5 柔性电容器电容表测试74-75
• 5.3.6 电容器变色过程分析75-76
• 5.4 本章小结76-77
• 第六章 结论与展望77-79
• 参考文献79-89
• 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文89-90
• 作者在攻读硕士学位期间所作的项目90-91
• 致谢91

【参考文献】

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本文编号：1126432