石墨烯基纳米复合材料的制备及其在电化学中的应用

发布时间：2017-09-16 05:39

  本文关键词：石墨烯基纳米复合材料的制备及其在电化学中的应用

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【摘要】：由单层碳原子构成的具有理想二维结构的石墨烯纳米片,具有非常独特的结构和优异性能,自发现已来就引起了全世界科研工作者的广泛关注。石墨烯具有极大的比表面积,非常适合作不同形貌的纳米材料载体,其极好的电导率可以提高复合材料的导电性能,使复合材料的不同组分充分发挥各自的优势,实现各个材料间的协同效应,弥补单一材料无法满足各方面性能需求的缺点。目前有多种合成石墨烯复合材料的方法,其中电化学方法具有成本低、操作简便、产物纯度高等优点,可以直接在碳糊电极或泡沫镍集流体等材料上直接生长获得石墨烯复合材料。本文主要从电化学生物传感器和超级电容器两个方面来研究石墨烯纳米复合材料在电化学领域中的应用。首先直接将石墨烯固定到电极表面,研究石墨烯在电化学生物传感器中的应用;然后用电化学方法在电极表面直接还原氧化石墨烯得到三维结构的石墨烯材料,然后电沉积其他纳米材料,得到三维石墨烯纳米复合材料,以此作为超级电容器电极材料研究其电容性能。具体实验内容如下:1.利用层层组装的方法构建多层石墨烯/肌红蛋白修饰电极,用壳聚糖将修饰材料固定在电极表面,测试肌红蛋白在该修饰电极上的直接电化学行为。循环伏安扫描得到一对峰形良好的准可逆氧化还原峰,说明成功实现肌红蛋白与电极界面之间的直接电子转移。多层石墨烯纳米片的存在为肌红蛋白提供了较大的比表面积、良好的生物兼容性以及较高的电子转移速率。该石墨烯/肌红蛋白修饰电极对电催化三氯乙酸(TCA)有较好的结果,还原峰电流与TCA浓度在0.6~26.0 mmol/L之间呈线性关系,检测限为0.15 mmol/L(3σ)。2.用电化学方法将氧化锆(Zr O2)纳米材料沉积到涂有石墨烯(GR)的离子液体修饰碳糊电极(CILE)表面,制备得到Zr O2/GR/CILE电极,然后将肌红蛋白固定在Zr O2/GR/CILE电极表面。用扫描电镜(SEM)和电化学方法表征电极,结果表明电极表面纳米复合材料的存在增加了电极的比表面积。循环伏安测试出现一对准可逆的氧化还原峰,说明肌红蛋白的直接电化学行为在电极表面得以实现,这归因于肌红蛋白中的Fe(III)/Fe(II)氧化还原电对的典型电化学行为。电极表面Zr O2/GR纳米复合材料的存在为肌红蛋白提供特殊界面从而加速电子转移。通过对电化学参数的计算研究了肌红蛋白的直接电化学行为。在选定的条件下肌红蛋白修饰电极对三氯乙酸表现出良好的电催化活性,具有较宽的线性范围(0.4~29.0 mmol/L)和较低的检测限(0.13 mmol/L(3σ))。3.通过恒电位沉积法在离子液体修饰碳糊电极(CILE)表面得到三维结构的石墨烯(3DGR),然后通过恒电位法在3DGR/CILE电极表面沉积Zn O纳米颗粒。通过扫描电镜等手段对其形貌进行表征。以其作为超级电容器的电极材料,通过循环伏安法,恒电流充放电法和交流阻抗法等方法研究Zn O/3DGR纳米复合材料的储能机理和电容性能。该复合材料在电流密度为3 m A/cm2时的比电容为46.31 m F/cm2,并表现出良好的循环稳定性。4.通过恒电位沉积法在CILE电极表面快速制备Mn O2/3DGR纳米复合材料,利用扫描电镜等手段表征其形貌。利用循环伏安法,恒电流充放电法和交流阻抗法等方法研究Mn O2/3DGR纳米复合材料的储能机理,结果发现石墨烯为载体可以克服Mn O2纳米颗粒单独存在时导电性和循环稳定性差等缺点。该复合材料在电流密度为3 m A/cm2时比电容为36.42 m F/cm2,经过1000次循环充放电测试比电容保持率达104%左右,说明该复合材料具有良好的循环稳定性。5.通过恒电位法在CILE表面得到Co(OH)2/3DGR纳米复合材料,扫描电镜结果显示Co(OH)2/3DGR纳米复合材料呈现三维无序多孔网状结构,可以极大增加材料与电解液间的接触面积。以其作为超级电容器的电极材料,通过电化学方法研究Co(OH)2/3DGR纳米复合材料的储能机理。该电极材料在电流密度为5 m A/cm2时比电容为730.23 m F/cm2,在大电流密度下进行3000次循环充放电时比电容保持率达80%,说明该纳米复合材料具有良好的循环稳定性,是一种非常有潜力的超级电容器电极材料。6.在泡沫镍表面,通过电化学方法合成Ni O/石墨烯纳米片复合材料。扫描电镜结果显示Ni O纳米片均匀负载于石墨烯薄膜上。循环伏安测试表明Ni O/石墨烯纳米复合材料的电化学性能与石墨烯相比更为优秀,表现出两种材料协同作用结果。充放电测试表明Ni O/石墨烯纳米复合材料在1 m A/cm2电流密度下的比电容为381m F/cm2,说明该复合材料是一种良好的超级电容器材料。
【关键词】：
【学位授予单位】：海南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;O646
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 石墨烯概述12-13
• 1.1.1 石墨烯的结构与性质12
• 1.1.2 石墨烯的制备方法12-13
• 1.2 石墨烯复合材料概述13-15
• 1.2.1 石墨烯/导电聚合物复合材料14
• 1.2.2 石墨烯/金属复合材料14-15
• 1.2.3 石墨烯/金属氧化物复合材料15
• 1.3 石墨烯复合材料在电化学生物传感中的应用15-18
• 1.3.1 传感器概述15-16
• 1.3.2 电化学生物传感器概述16
• 1.3.3 电化学生物传感器的原理和分类16-17
• 1.3.4 基于石墨烯复合材料的电化学传感器研究现状17-18
• 1.4 石墨烯复合材料在超级电容器中的应用18-24
• 1.4.1 超级电容器简介18-19
• 1.4.2 超级电容器的组成与结构19-20
• 1.4.3 超级电容器的储能机理及分类20-21
• 1.4.4 超级电容器电极材料的测试方法21-22
• 1.4.5 基于石墨烯复合材料的超级电容器研究现状22-24
• 1.5 本论文的研究思路与主要内容24-26
• 第二章 层层组装肌红蛋白/石墨烯修饰电极的电化学生物传感器研究26-34
• 引言26-27
• 2.1 实验部分27-28
• 2.1.1 仪器与试剂27
• 2.1.2 修饰电极的制备27-28
• 2.2 结果与讨论28-32
• 2.2.1 肌红蛋白在修饰电极上的直接电化学28-29
• 2.2.2 扫描速度的影响29-30
• 2.2.3 pH的影响30-31
• 2.2.4 CTS/(GR/Mb)2/CILE的电催化行为31-32
• 2.3 本章小结32-34
• 第三章 肌红蛋白在石墨烯-氧化锆纳米复合材料修饰电极上的直接电化学和电催化行为的研究34-44
• 引言34-36
• 3.1 实验部分36-37
• 3.1.1 仪器与试剂36
• 3.1.2 3D石墨烯/氧化锌复合电极的制备的制备36-37
• 3.2 结果与讨论37-43
• 3.2.1 扫描电镜(SEM)表征37
• 3.2.2 修饰电极的电化学特性37-38
• 3.2.3 不同电极的直接电化学行为38-39
• 3.2.4 扫描速度的影响39-41
• 3.2.5 pH值的影响41
• 3.2.6 电催化行为41-43
• 3.2.7 Mb修饰电极的稳定性与重现性43
• 3.3 本章小结43-44
• 第四章 3D石墨烯/氧化锌复合材料的制备及其电容性能的测试44-54
• 引言44
• 4.1 实验部分44-46
• 4.1.1 仪器与试剂44-45
• 4.1.2 电极的制备45-46
• 4.1.3 电极的表征与测试46
• 4.2 结果与讨论46-53
• 4.2.1 扫描电镜图像对比46-48
• 4.2.2 电极材料的制备条件优化48-49
• 4.2.3.电化学阻抗测试49-50
• 4.2.4 扫描速度的影响50-51
• 4.2.5 恒电流充放电测试51-52
• 4.2.6 电极材料的循环寿命研究52-53
• 4.3 本章小结53-54
• 第五章 3D石墨烯/二氧化锰复合电极的制备及其电容性能的研究54-64
• 引言54
• 5.1 实验部分54-56
• 5.1.1 仪器与试剂54-55
• 5.1.2 电极的制备55
• 5.1.3 电化学性能测试55-56
• 5.2 结果与讨论：56-63
• 5.2.1 扫描电镜结果分析56
• 5.2.2 二氧化锰纳米材料沉积条件的优化56-58
• 5.2.3 不同电极材料的电化学性能58-60
• 5.2.4 扫描速度的影响60-61
• 5.2.5 不同电流密度下的充放电曲线61-62
• 5.2.6 1000次循环充放电测试62-63
• 5.3 本章小结63-64
• 第六章 3D石墨烯/氢氧化钴纳米复合材料的制备及其电容性能的研究64-74
• 引言64-65
• 6.1 实验部分65
• 6.1.1 仪器与试剂65
• 6.1.2 电极的制备65
• 6.2 实验结果与讨论65-72
• 6.2.1 电极材料的形貌分析65-66
• 6.2.2 纳米氢氧化钴材料沉积条件优化66-67
• 6.2.3 交流阻抗分析67-68
• 6.2.4 不同电极材料的循环伏安分析68-69
• 6.2.5 扫描速度的影响69-70
• 6.2.6 电极材料的恒流充放电测试70-72
• 6.2.7 电极材料的循环寿命研究72
• 6.3 本章小结72-74
• 第七章 氧化镍/石墨烯纳米复合材料的制备及其电容性能的研究74-82
• 引言74-75
• 7.1 实验部分75
• 7.1.1 电极的制备75
• 7.1.2 复合材料的形貌表征和电化学性能测试75
• 7.2 结果与讨论75-80
• 7.2.1 表面形貌分析75-76
• 7.2.2 不同电极材料的循环伏安测试76-77
• 7.2.3 氧化镍纳米材料沉积条件优化77-78
• 7.2.4 扫描速度的影响78-79
• 7.2.5 氧化镍/石墨烯复合电极在不同电流密度下的放电曲线79-80
• 7.2.6 氧化镍/石墨烯复合电极的稳定性测试曲线图：80
• 7.3 本章小结80-82
• 结论82-84
• 参考文献84-100
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果100-104
• 致谢104-105
• 附件105

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 ;耐普恩年产百万超级电容器生产线宣布投产[J];电源世界;2014年09期

2 石微微;晏菲;周国s，

本文编号：861239