三维石墨烯材料的结构调控及其性能研究

发布时间：2017-09-01 11:32

  本文关键词：三维石墨烯材料的结构调控及其性能研究

  更多相关文章： 石墨烯 三维结构 气凝胶 回弹性 吸油 重复利用

【摘要】：近些年,石墨烯作为碳材料的一种独特的结构因其本身具有很好的力学、电学和热学性能越来越得到人们更多的关注。石墨烯在很多领域包括电子、导电纳米复合材料、薄膜、电磁屏蔽和传感器等都有着很广泛的应用。而石墨烯片层组装成三维超轻的多孔材料之后能够更能应用在催化剂载体、能源储存和环境保护等方面有着更多的应用前景。把二维石墨烯材料组装成三维石墨烯气凝胶材料不仅避免了石墨烯片层之间的堆积,还能保持石墨烯本身的高导电率和较大的比表面积,更能使其本身结构有着较低的密度和较高的孔隙率。过去许多工作致力于制备各种各样的三维石墨烯材料,制备方法主要包括自组装、模板法和化学沉积法。在这些方法中,用氧化石墨作为前驱体来自组装构建三维骨架的石墨烯水凝胶是最常用的方法。利用水热法或者化学还原法来使氧化石墨转化为石墨烯,常用的化学还原剂有亚硫酸氢钠、硫化钠、水合肼、氢碘酸、氢醌和维生素C等。然后通过冷冻干燥或超临界干燥的方法得到石墨烯气凝胶。在这个过程中,改变冷冻条件便可制备不同性能和结构的石墨烯气凝胶。本论文通过比较不同石墨烯制备方法的优缺点,用定向冷冻的方法制备了具有高度定向结构的超轻石墨烯气凝胶材料。具体研究内容如下：1.用Hummers制备了氧化程度较高的氧化石墨,通过XRD、FTIR、 XPS等表征手段证实在氧化石墨片层上有着许多丰富的含氧官能团,这为下面进一步制备石墨烯气凝胶提供了很好的前驱体。利用维生素C作为还原剂、在70。C的温度中反应4小时,便可得到石墨烯水凝胶。之后利用定向冷冻和冷冻干燥的方法制备了石墨烯气凝胶材料。通过扫描电镜可以看到所得到的气凝胶中定向排列的石墨烯壁孔。通过XRD、 FTIR、XPS等表征手段可以看出气凝胶中氧化石墨的含氧官能团大量脱落而得到的石墨烯片层。2.定向冷冻方法制备的石墨烯气凝胶有着很好的力学性能,明显比冰箱冷冻所得到的气凝胶力学强度要高,而且密度为6.1 mg/cm3的AGA的压缩强度能达到14.1 kPa,这比文献中所报道的其他的GA(密度相当时)的强度都高。进一步说明定向冷冻方法使得石墨烯壁孔定向排列有助于其力学强度的增加。另外得到的石墨烯气凝胶还具有很好的压缩回弹性,经过10次压缩应变50%的循环之后,仍能回到95%以上。由于所得到的石墨烯气凝胶具有定向排列的孔壁,其在轴向方向和垂直于轴向方向上都有着不错的压缩回弹性,而且在空气中和有机溶剂中都有着很高的回弹性。3.由于石墨烯本身导电,制得的石墨烯气凝胶的导电性随着压缩程度的变化可以使其在压力传感器和石墨烯压敏系统方面有着不错的应用前景。由于所制备的气凝胶具有多孔结构且本身具有疏水亲油性,可以选择性吸收水中的油。而在经过吸油-燃烧、吸油-蒸发、吸油-压缩循环之后,石墨烯气凝胶仍能保持较好的重复利用性。这可以使石墨烯气凝胶应用在海上处理石油泄漏等方面。
【关键词】：石墨烯 三维结构 气凝胶 回弹性 吸油 重复利用
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11
【目录】：

• 学位论数据集3-4
• 摘要4-7
• ABSTRACT7-16
• 符号说明16-17
• 第一章 绪论17-33
• 1.1 石墨烯及其概述17-18
• 1.2 三维石墨烯材料的概述18
• 1.3 三维石墨烯材料的制备方法18-23
• 1.3.1 由碳源直接合成19-20
• 1.3.1.1 模板CVD生长法19-20
• 1.3.1.2 无模板法20
• 1.3.2 GO自组装20-23
• 1.3.2.1 化学还原、电化学还原和水热法自组装GO21
• 1.3.2.2 冷冻干燥21-22
• 1.3.2.3 在导电基体上进行GO的自组装22
• 1.3.2.4 模板辅助自组装22
• 1.3.2.5 用交联剂来自组装22-23
• 1.4 三维石墨烯材料的性能23-26
• 1.5 三维石墨烯材料的应用26-31
• 1.5.1 催化剂26-27
• 1.5.1.1 3DGNs作为无金属催化剂26
• 1.5.1.2 掺杂的3DGNs作为非金属催化剂26-27
• 1.5.1.3 3DGNs和杂原子掺杂的3DGNs作为催化剂载体27
• 1.5.2 吸收剂27-28
• 1.5.2.1 有机污染物27-28
• 1.5.2.2 金属离子28
• 1.5.3 传感器28-29
• 1.5.4 生物应用29
• 1.5.5 透明导电电极29-30
• 1.5.6 能量储存和转化30-31
• 1.5.6.1 燃料电池30
• 1.5.6.2 电池30
• 1.5.6.3 超级电容器30-31
• 1.5.6.4 太阳能电池31
• 1.6 三维石墨烯材料的展望31-33
• 第二章 实验原料、相关仪器及方法33-41
• 2.1 实验原料及相关仪器33-34
• 2.1.1 实验原料33
• 2.1.2 实验主要仪器33-34
• 2.1.3 实验主要测试仪器34
• 2.2 实验方法34-38
• 2.2.1 氧化石墨的制备方法34-35
• 2.2.1.1 Brodie法34
• 2.2.1.2 Standenmaier法34-35
• 2.2.1.3 Hummers法35
• 2.2.2 用Hummers法制备氧化石墨35-36
• 2.2.3 还原氧化石墨得到水凝胶36-37
• 2.2.4 定向冷冻的阐述37
• 2.2.4.1 定向冷冻法制备具有定向有序微孔结构的气凝胶材料37
• 2.2.4.2 定向冷冻的原理37
• 2.2.5 冷冻干燥得到气凝胶AGA37-38
• 2.2.5.1 冷冻干燥原理37-38
• 2.2.5.2 冷冻干燥得到AGA38
• 2.3 试样的测试与表征38-41
• 2.3.1 X射线衍射(XRD)分析38
• 2.3.2 X射线光电子能谱(XPS或ESCA)分析38
• 2.3.3 红外光谱(FT-IR)分析38-39
• 2.3.4 扫描电子显微镜(SEM)39
• 2.3.5 万能材料测试机39
• 2.3.6 拉曼光谱(RAMAN)分析39
• 2.3.7 万用表39-41
• 第三章 石墨烯气凝胶的制备与表征41-49
• 3.1 AGA的制备过程41
• 3.2 AGA的形貌分析41-44
• 3.2.1 外形和密度42
• 3.2.2 定向冷冻42-43
• 3.2.3 SEM43-44
• 3.3 AGA还原程度表征44-49
• 3.3.1 氧化石墨(GO)和石墨烯气凝胶(GA)的XRD图44-45
• 3.3.2 氧化石墨烯(GO)和石墨烯气凝胶(GA)的FT-IR图45-46
• 3.3.3 氧化石墨烯(GO)和石墨烯气凝胶(GA)的XPS图46-49
• 第四章 石墨烯气凝胶的性质与应用49-65
• 4.1 AGA的力学性能49-55
• 4.1.1 AGA在空气中的压缩性能49-50
• 4.1.2 非定向冷冻方法制备的GA的力学性能50-52
• 4.1.3 AGA不同方向上的力学压缩比较52-53
• 4.1.4 不同密度的AGA的力学强度的比较53-54
• 4.1.5 AGA在有机溶剂中的力学性能54-55
• 4.2 AGA的电学性能55-57
• 4.3 AGA的吸油性能57-59
• 4.4 AGA的重复利用59-65
• 4.4.1 吸油-灼烧重复59-62
• 4.4.2 吸油-蒸发重复62-63
• 4.4.3 吸油-压缩重复63-65
• 第五章 结论65-67
• 参考文献67-75
• 致谢75-77
• 研究成果和发表的学术论文77-79
• 作者和导师简介79-80
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书80-81

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 盛凯旋;徐宇曦;李春;石高全;;化学还原氧化石墨烯制备高性能石墨烯自组装水凝胶(英文)[J];新型炭材料;2011年01期

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本文编号：771837