石墨烯的功能化、宏观组装及其超级电容器应用研究

发布时间：2020-02-12 03:54

【摘要】：石墨烯作为一种新型的二维碳材料,由于其在力、电、光学等方面的优异性能,引起了各国科学家的广泛关注。石墨烯的应用可大致分为三种方式：1)直接以单片石墨烯为基体制备纳米器件,2)将石墨烯纳米片添加到聚合物等基体中做成复合材料,3)以石墨烯纳米片为构筑单元组装成宏观材料。其中第三种应用方式是本论文的核心内容。将石墨烯组装成宏观材料的方法有很多种,较常用的方法是通过抽滤法将石墨烯组装成膜或纸状材料,以及通过水热法将石墨烯组装成三维的网络结构等。然而,这些组装方法通常耗时耗力,而且制备出来的石墨烯宏观组袭体通常受限于实验器具的大小,不能得到大面积的材料或不能实现连续化的制备。本课题组之前已经通过湿法纺丝的方法连续化地制备出氧化石墨烯纤维,并证明构筑单元良好的分散性是实现连续化制备的关键。因此要想获得可连续化制备的石墨烯组装体,提高石墨烯的分散性是需要攻克的重要问题。本论文通过将聚合物接枝到石墨烯上的方法解决了石墨烯在水中的分散问题,从而连续化地制备出千米级的石墨烯仿贝壳纤维。此外,本论文还丰富和发展了石墨烯的组装方法,首次将湿法纺膜技术和同轴湿法纺丝技术引入到石墨烯组装中。通过湿法纺膜技术和同轴湿法纺丝技术分别制备出石墨烯水凝胶膜和核壳结构的聚合物包裹的石墨烯纤维,并将他们直接用作超级电容器电极。主要工作如下：1.分别用三种方法包括点击化学,水解缩合,氢键相互作用对石墨烯进行功能化,提高了石墨烯在溶剂中的分散性,为下一步的组装和应用奠定了基础。2.以功能化的聚乙烯醇接枝的石墨烯为构筑单元,分别通过抽滤法和湿法纺丝法组装出“砖-灰”结构的石墨烯仿贝壳膜和千米级别的石墨烯仿贝壳纤维。其具有优异的力学性能,拉伸强度已超过贝壳,并且具有导电性,可以作为高强度的防静电材料使用。3.提出湿法纺膜的组装方法将石墨烯组装成石墨烯水凝胶膜,并将其直接用作超级电容器电极。通过对比发现,湿法纺膜技术制备出的具有取向结构的石墨烯水凝胶膜的电化学性能明显好于直接通过水热法制备出的没有取向的石墨烯水凝胶三维网络。另外比较了水热法,氢碘酸还原法和肼还原法得到的石墨烯水凝胶膜的电化学性能,发现肼还原石墨烯水凝胶膜具有最高的比电容和较好的倍率性能。4.提出同轴湿法纺丝的组装技术,并用来制备出核壳结构的聚合物包裹的石墨烯纤维、碳纳米管纤维以及它们的复合纤维,并以其为线电极组装出全固态的双股的线形超级电容器。所得到的线形超级电容器具有同类型电容器中最高的比电容和比能量密度,良好的倍率性能和耐弯折性。首次得到了碳材料纤维编织而成的布形电容器,为其在可穿戴电子器件领域的应用奠定了基础。
【图文】：

子上的Ｓ`e和Ｐｙ轨道杂化成ｓｐ２键，碳原子么间呈１２０°的夹角。剩下的Ｐｚ轨道逡逑与其他王个相连的碳原子的Ｐｚ轨道相重叠，形成共扼的大７１键Ｗ。石墨席是构成逡逑其他石墨型材料的基本构建单元，如图１．１所示，它可Ｗ沿一定的方向卷曲成零逡逑维的富勒婿或是一维的碳纳米管，也可Ｗ相互堆积形成王维的石墨Ｗ。逡逑游斌黎客^/＾＾梦＞逡逑／－、一占主ｙ一邋ｆ逦入一＇Ｔ、、Ａ邋ｔ＊＂、火（、户＇户．户＇户逡逑伊％ｍ逡逑％逡逑图１．１二维的石墨婿是所有维数的碳妨料的基本构建单元，可ｗ包裹成零维的球，逡逑１逡逑

子上的Ｓ`e和Ｐｙ轨道杂化成ｓｐ２键，碳原子么间呈１２０°的夹角。剩下的Ｐｚ轨道逡逑与其他王个相连的碳原子的Ｐｚ轨道相重叠，形成共扼的大７１键Ｗ。石墨席是构成逡逑其他石墨型材料的基本构建单元，如图１．１所示，它可Ｗ沿一定的方向卷曲成零逡逑维的富勒婿或是一维的碳纳米管，，也可Ｗ相互堆积形成王维的石墨Ｗ。逡逑游斌黎客^/＾＾梦＞逡逑／－、一占主ｙ一邋ｆ逦入一＇Ｔ、、Ａ邋ｔ＊＂、火（、户＇户．户＇户逡逑伊％ｍ逡逑％逡逑图１．１二维的石墨婿是所有维数的碳妨料的基本构建单元，可ｗ包裹成零维的球，逡逑１逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ127.11;TM53


本文编号：2578687