三维石墨烯复合材料的制备及其应用研究

发布时间：2017-08-19 07:02

  本文关键词：三维石墨烯复合材料的制备及其应用研究

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【摘要】：石墨烯是一种性能优良的二维纳米碳材料,石墨烯及其复合材料是当下材料学研究的一个热点。三维石墨烯是一种近年来得到广泛研究的新型石墨烯衍生材料,采用一定手段将二维石墨烯整合成三维宏观结构,不仅能够保留二维结构独特的热学、力学和电学性能,而且能够获得极大的比表面积和可控的多孔结构,进而制备多功能石墨烯复合材料,并可进一步拓宽其在催化、传感、储能、环境以及电子器件等领域的应用。本论文首先采用改进Hummers法制备了氧化石墨烯(GO),分别采用化学还原组装法和模板法制备了两种三维石墨烯复合材料,探究了其在吸附、油水分离和超级电容器等方面的应用。主要内容如下:(1)采用一种来源广泛的生物基材料单宁酸(TA)作为还原剂,常压下在90℃的水中TA能够将GO还原为还原氧化石墨烯(rGO),rGO在范德华力、疏水和π-π相互作用下组装成结构稳定的三维石墨烯水凝胶(TA-GH),该方法绿色环保,实现了常压下三维石墨烯的温和制备;采用冷冻干燥法得到了一种质轻、导电、疏水的三维石墨烯气凝胶(TA-GA),进一步探究了三维石墨烯凝胶在吸附和油水分离方面的应用。结果表明:反应时间、反应温度、TA与GO的质量比以及GO的浓度对TA-GH的宏观形态影响较大;TA-GA微观上是以不规则卷曲的石墨烯片层为骨架的三维网状结构,BET比表面积高达136 m2/g,而且具有较好的机械性能,可承受自身质量约15500倍的重物;三维石墨烯凝胶对染料、有机溶剂和植物油均具有良好的吸附性能,对罗丹明B、三氯甲烷和大豆油的吸附量分别高达0.378、20.6和23.8 g/g,同时其对有机溶剂具有快速、可循环的油水分离能力。(2)采用泡沫镍(NF)为模板,结合电化学沉积技术,一步沉积并还原GO得到了具有特定宏观结构的三维石墨烯泡沫电极(rGO-NF),通过改变沉积条件能够实现rGO层的可控制备,进一步在rGO-NF表面沉积导电聚合物聚吡咯(PPy)可控制备了具有1层rGO/PPy的三维石墨烯/聚吡咯泡沫电极(rGO/PPy-NF),实现了三维多孔材料的比表面积大、石墨烯电化学稳定性好和聚吡咯赝电容高的有机结合;并进一步运用交替沉积的方式分别制备了具有1至5层rGO/PPy的复合电极,考察了rGO/PPy的层数对其电容性能的影响。在沉积过程中探索了rGO和PPy的沉积条件,进一步研究了rGO-NF、PPy-NF、rGO/PPy-NF以及具有不同层数rGO/PPy复合电极的电容性能。研究表明:沉积电压、沉积时间、沉积物(GO、Py)浓度、电解质(LiClO4、TsOH)浓度对rGO/PPy-NF的电容性能影响较大;rGO/PPy-NF具有较好的电容性能,在1 A/g的电流密度下其比容量可达171.9 F/g;rGO/PPy的层数对电极的储能性能也具有较大的影响,rGO/PPy-NF-2L具有最好的电容性能,在1 A/g的电流密度下其比容量最大为193.4F/g,同时具有良好的循环稳定性,在3 A/g电流密度下循环10000次比容量可保存初始值的80%。
【关键词】：三维石墨烯 化学还原组装 凝胶 模板 电化学电容器
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TB33
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-22
• 1.1 引言8
• 1.2 石墨烯8-10
• 1.2.1 石墨烯的基本性质8
• 1.2.2 石墨烯的制备方法8-9
• 1.2.3 石墨烯的应用9-10
• 1.3 三维石墨烯10-14
• 1.3.1 三维石墨烯10
• 1.3.2 三维石墨烯的制备方法10-14
• 1.4 三维石墨烯的应用14-19
• 1.4.1 催化材料14
• 1.4.2 传感器件14-15
• 1.4.3 吸附凝胶15-17
• 1.4.4 电化学电容器17-19
• 1.5 本课题的目的意义及研究内容19-22
• 第二章 化学还原组装法制备三维石墨烯凝胶及其吸附性能研究22-42
• 2.1 引言22-23
• 2.2 实验部分23-26
• 2.2.1 试剂及原料23
• 2.2.2 仪器及设备23
• 2.2.3 实验步骤23-24
• 2.2.4 结构表征24-25
• 2.2.5 形貌表征25
• 2.2.6 吸附实验25-26
• 2.3 结果与讨论26-40
• 2.3.1 复合材料的表征26-34
• 2.3.2 水凝胶TA-GH对染料的吸附能力表征34-37
• 2.3.3 气凝胶TA-GA对有机溶剂和植物油的吸附能力表征37-40
• 2.4 本章小结40-42
• 第三章 模板法制备三维石墨烯/聚吡咯复合材料及其应用研究42-58
• 3.1 引言42-43
• 3.2 实验部分43-46
• 3.2.1 试剂及原料43-44
• 3.2.2 仪器及设备44
• 3.2.3 实验步骤44-45
• 3.2.4 结构表征45-46
• 3.2.5 形貌表征46
• 3.2.6 电极的电容性能表征46
• 3.3 结果与讨论46-57
• 3.3.1 泡沫电极rGO/PPy-NF的表征46-50
• 3.3.2 泡沫电极rGO/PPy-NF的电容性能表征50-53
• 3.3.3 不同rGO/PPy层数泡沫电极的电容性能表征53-55
• 3.3.4 三维石墨烯泡沫电极的倍率性能和循环稳定性测试55-57
• 3.4 本章小结57-58
• 第四章 主要结论与展望58-59
• 主要结论58
• 展望58-59
• 致谢59-60
• 参考文献60-67
• 附录: 作者在攻读硕士学位期间发表的论文67

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本文编号：699291