常压非平衡等离子体制备石墨烯基复合材料及其电化学性能研究
发布时间：2021-10-26 04:30
石墨烯材料具有特殊结构和优异性能,已经在各个领域得到了深入地研究,而石墨烯材料所独有的超大的理论表面积以及高导电性的电学特性,使其成为获得高效储能材料的优选载体。非平衡（低温）等离子体具有高分布的活性粒子,可以降低物质的活化能,缩短反应时间,并且可以通过结构的改善,控制能流方向,获得较大能流密度,各种气体均可以作为等离子体的气源,在反应中可以用于氧化、还原、激发和掺杂。介质阻挡放电（DBD）等离子体射流可以在大气压下产生,可以根据反应类型选择放电气体,而DBD等离子体射流的产生装置的结构形式多样,可以根据需求实现放电区与工作区的分离,并且易于操作,反应迅速。本文以单电极DBD结构为基础,设计了一套等离子体射流引发装置,以氢气和氩气为工作气体,获得具有高还原性质的氢等离子体射流（APPJ-H）,在还原金属离子和氧化石墨烯的反应中,表现出了极其高效的优势,以此为基础,制备RGO以及石墨烯改性材料,并研究这些材料的电学性能;以氧气和氩气为工作气体进行液相反应,获得具有高氧化还原电位的活性成分的氧等离子体射流（APPJ-O）,实现苯胺的原位氧化聚合反应,获得具有较高比电容值的PANI与石墨烯的...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：107 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１石墨烯及其构建的其他碳材料??１．
?第一章绪论???从而得到还原氧化石墨烯材料（ＲＧＯ），也可以归类于改性石墨烯的范畴。??－皮＃＿編—二－?ｃ＊??？：一＝…ｒ?一??ｗ．．；．．、石臟卜：?＞??石墨?氧化石《?＾?＼??Ｇｒａｐｈｉｔｅ?Ｇｒａｐｈｉｔｅ?Ｏｘｉｄｅ?＾??石》嫌?？１化石＊＊??Ｇｒａｐｈｅｎｅ?Ｇｒａｐｈｅｎｅ?Ｏｘｉｄｅ??氰化石墨烯还原??图１．２氧化还原法过程示意图??１．２．１石墨氧化技术??传统的石墨氧化法有以下三种：Ｂｒｏｄｉｅ氧化法是以浓ＨＮ０３预处理石墨??粉，氧化剂选用ＫＣＩ０３，在６０°Ｃ？８０°Ｃ下反应２０￣４０ｈ，该法对石墨的氧化程度??较低，反应时间较长，并伴有有害气体Ｃ１０２产生：与Ｂｒｏｄｉｅ不同的是，??ＳｔａｕｄｅｎｍａｉｅｒｌＷ采用的是浓ＨＮ０３和浓Ｈ２Ｓ〇４的混合酸（２：１），氧化剂选用ＨＣＩ〇４，??在０°Ｃ下反应，由反应时间和氧化次数来控制石墨的氧化程度，同时伴有有毒??有害气体生成；Ｈｕｍｍｅｒｓ法１２１１以浓Ｈ２Ｓ〇４和ＮａＮ０３作为预处理剂，采用ＫＭｎ〇４??作为氧化剂，反应时间有所缩短，并且石墨的氧化程度得到了明显的提高，传??统的Ｈｕｍｍｅｒｓ法同样也会产生Ｎ〇２、Ｎ２Ｏ４和Ｃｌ〇２等有毒有害气体，并且表面??含氧基团的数量和种类有一定局限，因此研究人员在Ｈｕｍｍｅｒｓ法的基础之上，??做了相应的改进如改变原料质量比或控温时间等反应条件，统称为改进??的Ｈｕｍｍｅｒｓ法，是目前制备氧化石墨烯首选方法。??１．２．２氧化石墨烯还原技术??ＧＯ的还原技术是影响石墨烯材料的性能的关键。常见的还原手段包括热??还原１２５－２８＂化学还原［２８－３８１、电化
的原子尺??寸和电子排布，更容易实现Ｎ原子对Ｃ原子的层内取代掺杂，Ｎ掺杂会改变石??墨烯的能带结构，还可以通过对掺Ｎ量的控制来调控半导体特性，在微电子领??域具有很高的应用价值。Ｎ掺杂会使六元环上Ｎ原子周围Ｃ原子的正电荷增多，??形成缺电子中心，改变了石墨烯的电负性，从而增强对气体的吸附和活化能力。??Ｎ掺杂石墨烯表现出更好的电化学稳定性和更高的电催化活性，具有比石墨烯??更高的比电容和储能性能，在超级电容器、燃料电池、光电子领域具有一定的??应用价值。??ｍ２ｎ?￣??图１．３Ｎ掺杂石墨烯结构示意图??一般可以通过化学气相沉积（ＣＶＤ）?１＾、水热１？１和离子注入等方法??获得进行石墨烯的Ｎ掺杂反应。ＣＶＤ法通常以ＣＨ４作为碳源、ＮＨ３作为氮源，??大多是在某一种特定基底上进行反应，继而得到Ｎ掺杂的石墨稀材料，该方法??工艺比较复杂，成本偏高，原料易燃易爆或有毒，氮掺杂量也较低，较难实现??工业生产；水热法采用水溶液为反应体系，加热生成气相，在高压反应釜中产??生高压，进行摻杂反应，该方法大多以氧化石墨烯为碳源，以尿素或三聚氰胺??一６一??
【参考文献】：
期刊论文
[1]化学气相沉积法在液态金属上快速生长石墨烯单晶（英文）[J]. 郑舒婷,曾梦琪,曹慧,张涛,高晓雯,肖遥,付磊. Science China Materials. 2019(08)
[2]质子交换膜燃料电池产业化发展探析[J]. 陆顺,林南南,李云隆,李如菊,陈金锐. 新材料产业. 2018(05)
[3]氧化石墨烯的可控还原及表征[J]. 赵静,张红. 化工进展. 2015(09)
[4]二氧化钌/石墨烯复合材料超级电容器的性能[J]. 邵强,林正峰,刘庆琪,杨欧,候梅芳,徐彬. 微纳电子技术. 2013(06)
[5]高性能聚苯胺/石墨烯复合材料的制备及在超级电容器中的应用[J]. 赵佐华,黄寒星,王红强,张磊,王志洪,冯崎鹏,钟新仙. 化工新型材料. 2013(05)
[6]电化学合成PtCo/石墨烯复合催化剂及对甲醇的电催化氧化[J]. 史国玉,王宗花,夏建飞,张菲菲,夏延致,李延辉. 化学学报. 2013(02)
[7]石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩复合物的电化学制备及其在超级电容器中的应用[J]. 金莉,孙东,张剑荣. 无机化学学报. 2012(06)
[8]燃料电池技术发展现状与展望[J]. 侯明,衣宝廉. 电化学. 2012(01)
[9]超级电容器综述[J]. 杨盛毅,文方. 现代机械. 2009(04)
[10]燃料电池的原理、技术状态与展望[J]. 衣宝廉. 电池工业. 2003(01)
硕士论文
[1]以石墨烯为载体的直接甲醇燃料电池阳极电催化剂研究[D]. 李海勇.湖南大学 2010
本文编号：3458831
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：107 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１石墨烯及其构建的其他碳材料??１．
?第一章绪论???从而得到还原氧化石墨烯材料（ＲＧＯ），也可以归类于改性石墨烯的范畴。??－皮＃＿編—二－?ｃ＊??？：一＝…ｒ?一??ｗ．．；．．、石臟卜：?＞??石墨?氧化石《?＾?＼??Ｇｒａｐｈｉｔｅ?Ｇｒａｐｈｉｔｅ?Ｏｘｉｄｅ?＾??石》嫌?？１化石＊＊??Ｇｒａｐｈｅｎｅ?Ｇｒａｐｈｅｎｅ?Ｏｘｉｄｅ??氰化石墨烯还原??图１．２氧化还原法过程示意图??１．２．１石墨氧化技术??传统的石墨氧化法有以下三种：Ｂｒｏｄｉｅ氧化法是以浓ＨＮ０３预处理石墨??粉，氧化剂选用ＫＣＩ０３，在６０°Ｃ？８０°Ｃ下反应２０￣４０ｈ，该法对石墨的氧化程度??较低，反应时间较长，并伴有有害气体Ｃ１０２产生：与Ｂｒｏｄｉｅ不同的是，??ＳｔａｕｄｅｎｍａｉｅｒｌＷ采用的是浓ＨＮ０３和浓Ｈ２Ｓ〇４的混合酸（２：１），氧化剂选用ＨＣＩ〇４，??在０°Ｃ下反应，由反应时间和氧化次数来控制石墨的氧化程度，同时伴有有毒??有害气体生成；Ｈｕｍｍｅｒｓ法１２１１以浓Ｈ２Ｓ〇４和ＮａＮ０３作为预处理剂，采用ＫＭｎ〇４??作为氧化剂，反应时间有所缩短，并且石墨的氧化程度得到了明显的提高，传??统的Ｈｕｍｍｅｒｓ法同样也会产生Ｎ〇２、Ｎ２Ｏ４和Ｃｌ〇２等有毒有害气体，并且表面??含氧基团的数量和种类有一定局限，因此研究人员在Ｈｕｍｍｅｒｓ法的基础之上，??做了相应的改进如改变原料质量比或控温时间等反应条件，统称为改进??的Ｈｕｍｍｅｒｓ法，是目前制备氧化石墨烯首选方法。??１．２．２氧化石墨烯还原技术??ＧＯ的还原技术是影响石墨烯材料的性能的关键。常见的还原手段包括热??还原１２５－２８＂化学还原［２８－３８１、电化
的原子尺??寸和电子排布，更容易实现Ｎ原子对Ｃ原子的层内取代掺杂，Ｎ掺杂会改变石??墨烯的能带结构，还可以通过对掺Ｎ量的控制来调控半导体特性，在微电子领??域具有很高的应用价值。Ｎ掺杂会使六元环上Ｎ原子周围Ｃ原子的正电荷增多，??形成缺电子中心，改变了石墨烯的电负性，从而增强对气体的吸附和活化能力。??Ｎ掺杂石墨烯表现出更好的电化学稳定性和更高的电催化活性，具有比石墨烯??更高的比电容和储能性能，在超级电容器、燃料电池、光电子领域具有一定的??应用价值。??ｍ２ｎ?￣??图１．３Ｎ掺杂石墨烯结构示意图??一般可以通过化学气相沉积（ＣＶＤ）?１＾、水热１？１和离子注入等方法??获得进行石墨烯的Ｎ掺杂反应。ＣＶＤ法通常以ＣＨ４作为碳源、ＮＨ３作为氮源，??大多是在某一种特定基底上进行反应，继而得到Ｎ掺杂的石墨稀材料，该方法??工艺比较复杂，成本偏高，原料易燃易爆或有毒，氮掺杂量也较低，较难实现??工业生产；水热法采用水溶液为反应体系，加热生成气相，在高压反应釜中产??生高压，进行摻杂反应，该方法大多以氧化石墨烯为碳源，以尿素或三聚氰胺??一６一??
【参考文献】：
期刊论文
[1]化学气相沉积法在液态金属上快速生长石墨烯单晶（英文）[J]. 郑舒婷,曾梦琪,曹慧,张涛,高晓雯,肖遥,付磊. Science China Materials. 2019(08)
[2]质子交换膜燃料电池产业化发展探析[J]. 陆顺,林南南,李云隆,李如菊,陈金锐. 新材料产业. 2018(05)
[3]氧化石墨烯的可控还原及表征[J]. 赵静,张红. 化工进展. 2015(09)
[4]二氧化钌/石墨烯复合材料超级电容器的性能[J]. 邵强,林正峰,刘庆琪,杨欧,候梅芳,徐彬. 微纳电子技术. 2013(06)
[5]高性能聚苯胺/石墨烯复合材料的制备及在超级电容器中的应用[J]. 赵佐华,黄寒星,王红强,张磊,王志洪,冯崎鹏,钟新仙. 化工新型材料. 2013(05)
[6]电化学合成PtCo/石墨烯复合催化剂及对甲醇的电催化氧化[J]. 史国玉,王宗花,夏建飞,张菲菲,夏延致,李延辉. 化学学报. 2013(02)
[7]石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩复合物的电化学制备及其在超级电容器中的应用[J]. 金莉,孙东,张剑荣. 无机化学学报. 2012(06)
[8]燃料电池技术发展现状与展望[J]. 侯明,衣宝廉. 电化学. 2012(01)
[9]超级电容器综述[J]. 杨盛毅,文方. 现代机械. 2009(04)
[10]燃料电池的原理、技术状态与展望[J]. 衣宝廉. 电池工业. 2003(01)
硕士论文
[1]以石墨烯为载体的直接甲醇燃料电池阳极电催化剂研究[D]. 李海勇.湖南大学 2010
本文编号：3458831
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