新型石墨烯基纳米复合材料的制备及其在催化析氢和超级电容器中的应用

发布时间：2020-05-25 00:58

【摘要】：石墨烯、二硫化钼都是近年来研究热度很高的二维纳米材料,其凭借独特的二维结构,具有各自优异的性能,被广泛应用于超级电容器、催化、传感器等诸多领域。如何大规模制备高质量的二维材料是研究的一大热点和难点,传统的方法或多或少涉及苛刻的反应条件、复杂的实验设备,或难以同时满足高产量和高质量的要求,而液相剥离法的出现,为大规模制备质量较高的二维纳米材料提供了一种新途径。本论文首先利用盐辅助液相混合剥离法,一步制备了二硫化钼/石墨烯纳米复合材料,这种方法简单易行,提高了剥离效率,将产物应用到电催化析氢反应中,取得了较好的催化效果,另外还对制备条件及催化机理进行了探究和讨论。除此以外,为了克服二维材料在使用中容易堆叠的问题,研究者们采用各种策略,例如制备纳米复合材料、构建三维结构的水凝胶等。本论文遵循这一思路,制备了石墨烯/聚苯胺复合水凝胶,这是利用氧化石墨烯片层间的π-π相互作用、含氧官能团、氢键等作用力自组装而成的三维水凝胶,再将苯胺单体化学氧化原位聚合并复合入石墨烯水凝胶中制成复合水凝胶,将其应用到超级电容器的电极材料中,综合了二者的特性,具有较好的电容性能,另外还探究了反应条件的影响,并讨论了有关合成机理。本论文的研究内容主要包括以下三个部分:(1)以石墨粉和普通二硫化钼粉为原料,以酒石酸钠作为辅助盐,异丙醇或氮甲基吡咯烷酮作溶剂,通过一步简单的超声处理混合剥离制备了高质量的二硫化钼/石墨烯纳米复合物,该方法操作简便,成本低廉。通过微观表征和元素分析发现二硫化钼和石墨均被成功剥离至少层或单层且形成复合结构,此外还证明了该方法具有良好的重现性。(2)将二硫化钼/石墨烯纳米复合物应用于电催化析氢,并研究了不同投料比下产物的催化活性,其Tafel斜率最小达到了 61mV/dec,同时对析氢机理进行了详细的讨论,二硫化钼纳米片与石墨烯之间理想的协同效应使得该复合材料兼具富含活性位点和良好的导电性,这是其具有较好催化活性的关键。(3)从天然石墨粉出发,用改进Hummer法制备氧化石墨烯,再利用一步水热还原法制备了石墨烯水凝胶,最后将苯胺单体原位聚合并复合到水凝胶中,制得了三维结构的石墨烯/聚苯胺复合水凝胶,同时还探究了投料比、反应温度对产物性能的影响。产物复合水凝胶具有较好的电容性能,在冰浴条件下制备的水凝胶比电容达到了 390.9 F/g。
【图文】：

同素异形体,石墨,绪论,纳米材料

逦笫１章绪论逦逡逑第１章绪论逡逑１．１石墨烯概述逡逑１．１．１石墨烯简介逡逑２０世纪８０年代，纳米材料与技术飞速发展，碳族纳米材料也在这一时期进入了逡逑科学的历史舞台。从最初发现的“足球”分子富勒烯Ｃ６ｃ［１］，，到由一层石墨卷曲而成逡逑的碳纳米管（ＣＮＴ）逦再到最新的成员石墨烯Ｗ，最终科学家将碳元素的众多同素逡逑异形体从零维到三维，由点、线、面、体逐步构建出一个完整的碳家族体系。逡逑

二硫化钼,层状结构,晶型,插层

图１．２（ａ）邋＿？硫化钥层状结构７Ｋ意图；（ｂ）邋＋硫化钥的二种晶型ｔｔｃ意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋（ａ）邋Ｌａｙｅｒ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋Ｍ０Ｓ２；邋（ｂ）邋Ｔｈｒｅｅ邋ｋｉｎｄｓ邋ｏｆ邋ｃｒｙｓｔａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋Ｍ０Ｓ２．逡逑硫化钼纳米片的制备方法逡逑满足对ＭｏＳ２的研究以及应用的需求，发展一种高效的制备高质量ＭｏＳ２法是非常重要的，也是目前急需要解决的一个问题。下面对的几种常用作简单的介绍：逡逑学插层剥离法逡逑在］９８６年，Ｍｏｒｒｉｓｏｎ等人就已经用电化学插层剥离法来制备单层的ＭｏＳ２，他们用正丁基锂的正己烷溶液对Ｍ0Ｓ２进行插层，再在水中超声处理，１邋ｎｍ左右的Ｍ0Ｓ２纳米片，其原理是锂离子嵌入Ｍ0Ｓ２粉末的层间，削弱力；而且正丁基锂会与水反应生成氢气（Ｈ２），进一步扩大Ｍ0Ｓ２层间距，成功。但是这种方法在锂离子嵌入过程中，会改变Ｍ0Ｓ２的微观结构，从而体的特性。后来Ｚｅｎｇ等人通过电化学的方法改进了化学插层剥离法状Ｍ0Ｓ２作为电解池的阴极，锂箔作阳极，通过电解来制备Ｍ0Ｓ２纳米片，
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM53;TB33;TQ116.2

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