等离子体辅助球磨制备少层石墨烯及其复合材料

发布时间：2017-10-15 20:00

  本文关键词：等离子体辅助球磨制备少层石墨烯及其复合材料

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【摘要】：石墨烯由于其具有独特的二维结构因而具备优异的物理性能,被广泛应用于微电子元器件、储能材料、功能复合材料以及生物医学材料领域。目前石墨烯的制备方法主要分为自上而下法及自下而上法两类,包括机械剥离法、SiC外延生长法、化学气相沉积以及化学氧化还原法,但是都存在导电性能差、转移成本高以及无法大批量工业生产等缺点。基于此,本论文以“等离子体辅助球磨制备少层石墨烯及其复合材料”为主要研究内容,综合考虑碳源选择、球磨参数以及球磨介质三大影响参数,对少层石墨烯的制备工艺进行了优化,发展了少层石墨烯的制备方法。本文还对球磨法制备的少层石墨烯复合材料进行了性能测试,测试了GeO2/FLG样品作为锂离子电池负极材料电化学性能;检测了Mg/FLG复合材料的储氢性能以及水解性能;探索了Fe2O3/FLG作为氧还原反应催化剂并测试其电化学性能。研究表明经1000℃高温热处理后制备得到的膨胀石墨具有疏松多孔的棉絮状结构,且与可膨胀石墨相比而言,其含O、S元素质量百分含量大大降低且具有较大的比表面积。膨胀石墨较易剥离开形成薄层石墨片,作为制备少层石墨烯的先驱碳源材料具有较强的优势。其次,选择WC作为球磨介质制备得到的复合材料中碳材料Raman 2D峰向低波数方向偏移,表明固态球磨介质的确对碳材料具有减薄效果。随着球磨时间的延长,石墨烯纳米片被完全剥离开且片层数目逐渐减少,但是球磨时间过长导致了非晶碳的形成。TEM可以观察到介质阻挡放电等离子体高能球磨8 h样品WC/FLG-8 h中石墨烯薄片呈现多褶皱、半透明纱状形貌,少层石墨烯片层数仅为6层。球磨介质BN、ZnO、Fe2O3、GeO2、WC以及Mg2Si对制备的少层石墨烯的形貌影响不大,但对石墨烯的片层数目具有较大影响。球磨介质莫氏硬度越高时,制备得到的石墨片的层数越薄,而且当球磨介质的介电常数数值居于8.0附近时,制备得到的石墨烯薄片质量最优,石墨烯片层数均少于7层。GeO2/FLG复合材料作为锂离子电池负极材料具有较高的储锂容量,首次放电容量为1322 mAh/g,第二次放电容量为850 mAh/g,经70次循环后放电容量为400 mAh/g。等离子体放电球磨制备的Mg/FLG复合材料可逆储氢容量5.5 wt.%,接近该复合样品理论储氢含量6.08 wt.%。Mg/FLG样品的储氢性能与纯Mg相比,其热力学以及动力学性能虽然并没有明显的改善,但是膨胀石墨的加入大大加快了Mg的吸氢速率。等离子体放电高能球磨制备的Mg/FLG样品表现有良好的水解放氢动力学性能,即在20 min内可以水解完全,释放氢气体积为702 mL/g,计算可知该样品的水解活化能为50.6 KJ/mol。Mg/FLG样品具有优异的水解制氢性能与复合样品中的少层、多缺陷石墨薄片具有的活性位点有关。高能球磨制备的Fe2O3/FLG样品作为ORR催化剂其起始电位为-0.25 V,性能仍需进一步提高。
【关键词】：等离子体辅助球磨 球磨介质 少层石墨烯 储氢 制氢
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TB33
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-28
• 1.1 引言11
• 1.2 石墨烯制备方法概述11-18
• 1.2.1 微机械剥离法12-14
• 1.2.2 化学气相沉积法14-15
• 1.2.3 SiC外延生长法15-16
• 1.2.4 化学氧化还原法16-18
• 1.3 石墨烯的表征方法18-22
• 1.3.1 扫描电子显微镜（SEM）18-19
• 1.3.2 透射电子显微镜（TEM）19-20
• 1.3.3 原子力显微镜（AFM）20
• 1.3.4 拉曼光谱（Raman）20-22
• 1.4 石墨烯的应用前景22-26
• 1.4.1 石墨烯复合材料的储锂性能22-24
• 1.4.2 石墨烯/镁基复合材料储氢/制氢性能24-25
• 1.4.2.1 石墨烯/Mg复合材料储氢性能24
• 1.4.2.2 石墨烯/Mg复合材料水解制氢性能24-25
• 1.4.3 石墨烯作氧还原反应催化剂性能25-26
• 1.5 本文研究的选题依据及研究内容26-28
• 1.5.1 选题依据26
• 1.5.2 主要研究内容26-28
• 第二章 复合材料制备、表征及性能测试28-35
• 2.1 放电等离子体辅助球磨工艺介绍28-29
• 2.2 不同球磨方法对少层石墨烯结构的影响29-31
• 2.3 材料的制备方法31
• 2.4 石墨烯基复合材料的表征31-32
• 2.4.1 X射线衍射分析31
• 2.4.2 扫描电子显微镜分析31
• 2.4.3 透射电镜分析31
• 2.4.4 拉曼光谱分析31-32
• 2.4.5 热重分析32
• 2.4.6 傅里叶红外光谱分析32
• 2.5 石墨烯复合材料性能测试32-35
• 2.5.1 锂离子电池电化学性能测试32
• 2.5.2 储氢/制氢性能测试32-33
• 2.5.2.1 储氢性能测试32-33
• 2.5.2.2 水解制氢性能测试33
• 2.5.3 氧还原反应催化性能测试33-35
• 第三章 等离子体辅助球磨制备少层石墨烯35-49
• 3.1 前言35-36
• 3.2 碳源的选择36-39
• 3.3 球磨时间对少层石墨烯形态以及层数的影响39-43
• 3.4 球磨介质对少层石墨烯形态以及层数的影响43-48
• 3.5 本章小结48-49
• 第四章 少层石墨烯复合材料的性能49-68
• 4.1 引言49
• 4.2 GeO_2/FLG复合材料电化学性能49-53
• 4.3 Mg/FLG复合材料储/制氢性能53-62
• 4.3.1 Mg/FLG复合材料储氢性能53-58
• 4.3.2 Mg/FLG复合材料水解制氢性能58-62
• 4.4 Fe_2O_3/FLG复合材料氧还原催化性能62-66
• 4.5 本章小结66-68
• 全文总结及展望68-70
• 全文总结68-69
• 工作展望69-70
• 参考文献70-77
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果77-78
• 致谢78-80
• 答辩委员会对论文的评定意见80

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