基于氧化石墨烯的宏观体的制备、表征及相关性能研究

发布时间：2017-07-30 10:29

  本文关键词：基于氧化石墨烯的宏观体的制备、表征及相关性能研究

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【摘要】：新材料区别于传统材料,在某些方面有着卓越的性能。研发新材料一直是解决环境与能源问题的有效途径。石墨烯作为近年来最热门的新材料之一,在污水处理、能量存储、光电子器件等各个领域有着巨大的应用前景。本文从氧化石墨烯(GO)出发,制备了多种宏观体材料,包括GO/淀粉复合气凝胶、超薄石墨烯薄膜以及热收缩石墨烯气凝胶,并对这些宏观体材料进行了表征以及相关性能的测试。通过改进的Hummers法制备了GO,此方法制备的GO在水溶液中具有良好的分散性,我们通过扫描电镜,透射电镜对GO进行了形貌分析,并通过红外光谱分析了GO的含氧官能团,利用热失重曲线分析了其热稳定性。利用淀粉跟GO的官能团相互作用,通过淀粉发酵和加热糊化制备了多孔的GO/淀粉气凝胶,这种材料环保无毒且成本低廉。通过吸附实验测试了此种材料对水溶液中亚基甲基蓝(MB)的吸附能力。并研究了溶液初始pH、吸附剂加入量、温度、MB的初始浓度以及吸附反应时间对吸附过程的影响。我们将所得的数据进行了热力学以及动力学的拟合。根据Langmuir模型计算得到的最大吸附量为127.71 mg/g。热力学研究表明此吸附过程为吸热的自发过程。综上所述,GO/淀粉复合气凝胶是一种新型的生物质吸附剂,其环保高效的特点表明其在污水处理方面有着很广阔的应用前景。通过真空抽滤和化学还原制备了超薄的石墨烯薄膜,通过扫描电镜对薄膜进行了表面形貌的表征,薄膜表现出良好的柔性和强度。通过电化学实验测试了薄膜作为超级电容器电极的的性能,在2 mV/s的扫速下测得比电容为215.6 F/g,循环伏安曲线和恒电流充放电曲线表明石墨烯薄膜是一种理想的双电层电容器电极材料。同时,石墨烯薄膜也具有很好的循环稳定性。制备了孔隙率较高的石墨烯气凝胶,并通过热收缩处理的方法使其收缩至一定体积,我们研究了热收缩对气凝胶的机械性能、孔结构、电化学性能以及电毛细抽吸性能的影响。发现随着热收缩程度的增加,气凝胶隙率减小,弹性减弱,同时其强度大大增加。气凝胶的质量比电容随着收缩程度的增加而减小,但体积比电容则恰好相反。在电毛细抽吸实验中我们实现了石墨烯气凝胶抽吸的开关可控性,并研究了其阈值电压和饱和吸收量。
【关键词】：氧化石墨烯 石墨烯宏观体 吸附 超级电容器 电毛细抽吸
【学位授予单位】：青岛大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TB332
【目录】：

• 摘要2-3
• Abstract3-7
• 第一章 引言7-17
• 1.1 石墨烯概述7-8
• 1.1.1 石墨烯简介7
• 1.1.2 石墨烯研究进展7-8
• 1.2 石墨烯的制备方法与表征8-9
• 1.2.1 机械剥离法8
• 1.2.2 晶膜生长法8
• 1.2.3 超声分散法8-9
• 1.2.4 化学气相沉积法9
• 1.2.5 氧化还原法9
• 1.3 石墨烯的表征9-12
• 1.3.1 透射电子显微镜表征10-11
• 1.3.2 原子力显微镜表征11
• 1.3.3 红外光谱和拉曼光谱表征11-12
• 1.4 石墨烯基宏观体材料在能源环境领域的应用12-13
• 1.4.1 能量转换器件12-13
• 1.4.2 水处理13
• 1.5 GO简介13-14
• 1.6 电毛细现象简介14-15
• 1.7 课题研究目的与意义15-17
• 第二章 GO的制备与表征17-22
• 2.1 实验原料及仪器设备17
• 2.2 GO的制备17-18
• 2.3 GO的表征18-21
• 2.3.1 扫描电镜和透射电镜表征18-19
• 2.3.3 红外光谱分析19-20
• 2.3.4 热失重分析20-21
• 2.4 本章小结21-22
• 第三章 GO/淀粉复合气凝胶的制备及其吸附性能的研究22-40
• 3.1 实验材料和设备22-23
• 3.2 样品制备和吸附实验23-24
• 3.2.1 GO/淀粉复合物气凝胶的制备23
• 3.2.2 吸附实验23-24
• 3.3 结果与讨论24-38
• 3.3.1 GO/淀粉复合气凝胶的表征24-28
• 3.3.2 溶液初始pH对吸附的影响28
• 3.3.3 吸附质的量对吸附的影响28-29
• 3.3.4 MB的初始浓度对吸附的影响29
• 3.3.5 温度对吸附的影响29-30
• 3.3.6 反应时间对吸附的影响30-31
• 3.3.7 吸附机理31-34
• 3.3.8 吸附动力学研究34-36
• 3.3.9 吸附热力学研究36-37
• 3.3.10 吸附数据图表汇总37-38
• 3.4 本章小结38-40
• 第四章 超薄石墨烯薄膜的制备及其电化学性能的研究40-46
• 4.1 实验材料及仪器40
• 4.2 石墨烯薄膜的制备40
• 4.3 电化学性能测试40-41
• 4.4 结果与讨论41-45
• 4.4.1 石墨烯薄膜的表征41-43
• 4.4.2 RGO薄膜的电化学性能研究43-45
• 4.5 本章小结45-46
• 第五章 热收缩石墨烯气凝胶的制备及其性能研究46-56
• 5.1 实验方法46-50
• 5.1.1 实验材料和仪器46
• 5.1.2 热收缩石墨烯气凝胶的制备46-47
• 5.1.3 机械性能的测试47
• 5.1.4 电化学性能测试47-50
• 5.2 结果与讨论50-55
• 5.2.1 热收缩石墨烯气凝胶力学性能的研究50-52
• 5.2.2 热收缩气凝胶的电化学性能研究52-54
• 5.2.3 热收缩气凝胶电毛细抽吸性能的研究54-55
• 5.3 本章小结55-56
• 第六章 结论56-57
• 参考文献57-63
• 攻读学位期间的研究成果63-64
• 致谢64-65

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