基于三维石墨烯的新型感应器与超级电容器
发布时间：2021-11-25 07:32
石墨烯是碳原子以sp2杂化形式紧密排列于平面六角晶格形成的二维材料,具有高孔隙率、高光学透过率、大比表面积和高电荷转移效率等众多优异的性质。但石墨烯层间的范德华力或π-π共轭使其极易堆叠,很大程度上降低了自由π电子数量和电荷转移速率,从而抑制了单片石墨烯特性的宏观表达。将二维石墨烯转化为三维石墨烯（3DG）不仅可以有效地改善石墨烯堆叠问题,还能将单层石墨烯的优异性质予以宏观尺度放大。因此,3DG作为新型碳材料在光电传感器、能量存储、电催化和军事防护等研究领域受到广泛关注。当前,感应定制的工业4.0和能量存储利用是推动人类进步的两大研究前沿领域。基于3DG其快速的电荷转移和高比表面积,本论文将从制备多功能的3DG材料出发,探索其在新型感应器和超级电容器领域的新应用,为促进工业4.0和缓解能源危机发展新思路。论文主要研究结果如下:（1）3DG和N-3DG的高效构筑及性能研究论文通过一步溶剂热还原高效构筑具有蜂窝状结构、优良机械性能、超轻密度和高孔隙率的3DG。对反应因素进行探究发现,前驱体氧化石墨烯（Graphene oxide,GO）的浓度及尺寸对3DG的宏观形貌影...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳元素的各种同素异形体[1]
1绪论3赋予其快速的质子/电荷转移能力，使其感应强度增强几千倍。这使3DG在光电传感器、能量存储、电催化和军事防护等研究领域受到广泛关注。因此，制备多功能的3DG材料对促进工业4.0和缓解能源危机具有重要的意义。由于3DG的原材料为二维石墨烯，所以制备方法也和石墨烯有所类似。①化学气相沉积法（CVD）如上所述，CVD法可用于制备石墨烯片层或薄膜，也可制备3DG。只要将金属衬底(Cu箔或Ni箔)替换成三维结构的泡沫Cu或者泡沫Ni即可，碳沉积在泡沫基底后，采用酸将基底刻蚀即得到3DG。当然，模板也可以是Ni纳米颗粒[9]、多孔碳[10]和阳极氧化铝[11]。广义来说，CVD法也模板法的一种，只是因其制备工艺独特才分属出来。主要制备过程如下图1.2所示。Li和Chen等人[12,13]采用CH4为碳源，在泡沫Ni表面均匀沉积石墨烯网络，再以HCl刻蚀泡沫Ni得到相互交联的3DG泡沫。通过该方法制备的3DG虽具有较高比表面积(850m2g1)[14]，但反应能耗较高，工艺较复杂。图1.2CVD法制备3DG实验过程[13]Fig.1.2Themethodofprepared3DGbyCVD(a)NF骨架；(b)CVD沉积3DG；(c)涂覆聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；(d)酸刻蚀（热HCl）；(e)丙酮溶去PMMA；(f)3DG复合材料(a)NFfoam;(b)Thegrowthof3DGbyCVD;(c)CoatingPMMAtoprotect3DGnetwork;(d)EtchingbyhotHCl;(e)DissolvingPMMAbyacetone;(f)GF/PDMScomposite②水热还原法水热还原法是制备3DG最常见且简便易行的方法。通常是将0.5～5mgml-1的GO分散在水或者乙醇溶液中，超声分散均匀，将其转移至高温高压反应釜中，于
重庆大学硕士学位论文4120℃反应12h，得到3DG凝胶，之后通过冷冻干燥和高温煅烧制备3DG。该方法原理是带有含氧官能团（-OH或-COOH）的GO经过热处理后脱水，还原氧化石墨烯片之间相互搭接，从而形成三维网络结构。具体合成工艺如图1.3所示。Chen等人[15]利用水热还原法制备出三维石墨烯海绵，展现出前所未有的高弹性和几乎近零的泊松比。随后，Wu等人[16]利用该思路设计了三维石墨负极材料，并展示了高达70mAhg-1的比电容。这种方法不仅成本低廉，且简便易行，但是仍存在石墨烯的堆叠，且不可控因素多，制备热力学优良的完全弹性海绵仍是大多数研究者的挑战。图1.3水热还原法制备3DG实验过程[15]Fig.1.3Themethodofprepared3DGbyhydrothermalreduction.(a)GO还原成3DG；(b)3DG宏观照片；(c)3DG的扫描电镜照片(a)ConversionofGOto3DG;(b)Photographsof3DG;(c)SEMof3DG③模板法上述CVD法也属于广义模板法的一种，即先依附后牺牲的合成方法。一般来说，模板法主要是以聚苯乙烯球[17,18]、三聚氰胺海绵（MF）[19]和泡沫镍[20,21]等为模板，通过化学作用在表面生长3DG，最终将模板刻蚀得到3DG的一种方法。详细合成工艺如图1.4。李等人[19]以三聚氰胺海绵为模板，将其浸没于GO溶液中，保证聚氰胺海绵表面被GO充分浸渍，采用化学剂还原GO形成三维石墨烯网络结构。最后，高温煅烧去除三聚氰胺海绵模板，进而得到具有规则形貌的3DG。
本文编号：3517676
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳元素的各种同素异形体[1]
1绪论3赋予其快速的质子/电荷转移能力，使其感应强度增强几千倍。这使3DG在光电传感器、能量存储、电催化和军事防护等研究领域受到广泛关注。因此，制备多功能的3DG材料对促进工业4.0和缓解能源危机具有重要的意义。由于3DG的原材料为二维石墨烯，所以制备方法也和石墨烯有所类似。①化学气相沉积法（CVD）如上所述，CVD法可用于制备石墨烯片层或薄膜，也可制备3DG。只要将金属衬底(Cu箔或Ni箔)替换成三维结构的泡沫Cu或者泡沫Ni即可，碳沉积在泡沫基底后，采用酸将基底刻蚀即得到3DG。当然，模板也可以是Ni纳米颗粒[9]、多孔碳[10]和阳极氧化铝[11]。广义来说，CVD法也模板法的一种，只是因其制备工艺独特才分属出来。主要制备过程如下图1.2所示。Li和Chen等人[12,13]采用CH4为碳源，在泡沫Ni表面均匀沉积石墨烯网络，再以HCl刻蚀泡沫Ni得到相互交联的3DG泡沫。通过该方法制备的3DG虽具有较高比表面积(850m2g1)[14]，但反应能耗较高，工艺较复杂。图1.2CVD法制备3DG实验过程[13]Fig.1.2Themethodofprepared3DGbyCVD(a)NF骨架；(b)CVD沉积3DG；(c)涂覆聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；(d)酸刻蚀（热HCl）；(e)丙酮溶去PMMA；(f)3DG复合材料(a)NFfoam;(b)Thegrowthof3DGbyCVD;(c)CoatingPMMAtoprotect3DGnetwork;(d)EtchingbyhotHCl;(e)DissolvingPMMAbyacetone;(f)GF/PDMScomposite②水热还原法水热还原法是制备3DG最常见且简便易行的方法。通常是将0.5～5mgml-1的GO分散在水或者乙醇溶液中，超声分散均匀，将其转移至高温高压反应釜中，于
重庆大学硕士学位论文4120℃反应12h，得到3DG凝胶，之后通过冷冻干燥和高温煅烧制备3DG。该方法原理是带有含氧官能团（-OH或-COOH）的GO经过热处理后脱水，还原氧化石墨烯片之间相互搭接，从而形成三维网络结构。具体合成工艺如图1.3所示。Chen等人[15]利用水热还原法制备出三维石墨烯海绵，展现出前所未有的高弹性和几乎近零的泊松比。随后，Wu等人[16]利用该思路设计了三维石墨负极材料，并展示了高达70mAhg-1的比电容。这种方法不仅成本低廉，且简便易行，但是仍存在石墨烯的堆叠，且不可控因素多，制备热力学优良的完全弹性海绵仍是大多数研究者的挑战。图1.3水热还原法制备3DG实验过程[15]Fig.1.3Themethodofprepared3DGbyhydrothermalreduction.(a)GO还原成3DG；(b)3DG宏观照片；(c)3DG的扫描电镜照片(a)ConversionofGOto3DG;(b)Photographsof3DG;(c)SEMof3DG③模板法上述CVD法也属于广义模板法的一种，即先依附后牺牲的合成方法。一般来说，模板法主要是以聚苯乙烯球[17,18]、三聚氰胺海绵（MF）[19]和泡沫镍[20,21]等为模板，通过化学作用在表面生长3DG，最终将模板刻蚀得到3DG的一种方法。详细合成工艺如图1.4。李等人[19]以三聚氰胺海绵为模板，将其浸没于GO溶液中，保证聚氰胺海绵表面被GO充分浸渍，采用化学剂还原GO形成三维石墨烯网络结构。最后，高温煅烧去除三聚氰胺海绵模板，进而得到具有规则形貌的3DG。
本文编号：3517676
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