石墨烯/锰基氧化物复合结构制备及其电化学储能研究
发布时间：2021-04-02 02:45
石墨烯具有独特的单原子厚度二维平面结构和优异的电学、力学、光学和热学性质,在场发射晶体管、传感器、透明导电薄膜、电化学储能等领域展现了巨大的应用前景。改进的Hummers法是最具潜力的石墨烯规模化制备方法,但此过程中产生的环境污染、分离繁琐、原料浪费等问题是限制其广泛应用的重要瓶颈。基于“原子经济性”合成原则,探索石墨烯及其复合物的低成本、绿色环保合成方法对其应用具有重要的现实意义。本论文从Hummers法制备氧化石墨烯（GO）的中间产物—氧化石墨烯/MnSO4 （GO/MnSO4）悬浊液出发,利用共沉淀、热还原、水热反应等技术方法,制备了一系列宏／微观结构可控的石墨烯/MnOx复合结构,并对其作为超级电容器和锂离子电池电极材料的储能性能进行了系统研究；并研究石墨烯载硫复合体系的可控制备及其作为锂硫电池正极材料的性能。主要研究结果如下：（1）以催化石墨化的太西无烟煤为前驱体,采用改进的Hummers法氧化插层制备煤基氧化石墨烯悬浊液（CDGO/MnSO4）,并以其为前驱体,采用KOH和肼分别为沉淀剂和还原剂,原位制备了煤基石墨烯Mn3O4 （RCDGO/Mn3O4）复合结构,同时得到副...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．?２?（ａ）用氧等离子在高定向石墨表面刻油出的石墨岛阵列；??ｂ）为２００?ｎｍ的石ｃ等高的石墨岛［”］??
维晶体的表面起伏会破坏其长程有序ｔｉｅ］，但是实验制备的石墨稀在透射电子显微镜下发??现其存在大量波纹结构，振幅大约为ｌｎｍ［ｉ２，ｉ３］，因此，无论是独立存在的石墨稀还是沉??积在基底上的石墨炼都不是一个百分之百的平整完美平面（如图１．３）。石墨炼就是通过??表面形成的褶皱或吸附其他分子来维持自身的稳定性，纳米量级的表面微观粗糙程度可??能是二维晶体具有较好稳定性的根本原因。??，、代■ｕｙＯ、?０．０?ｉｍ?３００?－ｔａｏ?ｍ?ｍｉ?ｙ＆．＆?ｒｎｄ?ｍ．０??图１．３石墨插的表面起伏［１２?１３］?、??Ｆｉｇ．?１．３?Ｔｈｅ?ｆｏｄｉｎｇ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｇｒａｐｈｅｎｅ＇＇＾＇??ｆ??１．２石墨稀的结构和性质??石墨稀是由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状晶格结构，每一个碳原子通过??ｓｐ２杂化轨道以“头碰头”的方式周围其它三个碳原子以ＣＪ键相连构成正六边形，碳－碳键??长为０．１４２?ｎｍ?（如图１．１４），而每一个碳原子剩余的ｐ电子通过“肩并肩”的方式形成了??一个垂直于晶面方向大７１键。单层石墨稀厚度约为０．３５?ｎｍ。正是由于这种独特的结构??赋予了石墨炼独特的性质。??１、超局的强度??由于石墨炼平面内形成的Ｇ键具有超高的键能，使得石墨烯具有超高的强度，单层??石墨稀的断裂强度能够达到４２?Ｎ?ｍ＂＇，而与其相同厚度的钢的断裂强度为０．０８４－０．４?Ｎ??ｍ＿ｉ
３、超大的理论比表面积??石墨稀单原子厚度的结构使得其中的碳原子能够完全暴露，使其具有超大的理论比??表面积。根据石墨炼中每一个碳原子组成的正六边形的边长为０．１４２?ｎｍ?（如图１．４），且??该六边形中含有两个完整的碳原子，再根据每个碳原子的质量约为１．９９３Ｘ１０＿２３?ｇ则可??计算石墨條的理论比表面积为２６００ｍ２ｇ－ｉ［ｉ６］，该比表面积远远大于其它炭材料的比表面??积。??４、优异的导热性??石墨炼的热导率可以达到５０００Ｗｍ＿ｉＫ－＿，而金属铜的热导率为４０１?ＷｍｆｉＫ－ｉ，二??者相差十倍。??５、良好的透光率??石墨炼具有良好的透光率，石墨炼可以让约９７．７％的可见光透过［１８］。??此外，石墨煤还具有半整数量子霍尔效应［１９］等性质。石墨炼一系列的纳米结构特性??赋予了石墨煤优异的物理、化学性能，使其在许多领域具有应用的潜力。??０．１４２?ｎｍ??ｇｇ??图１．４石墨燒的六边形结构??Ｆｉｇ．?１．４?Ｈｅｘａｇｏｎａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｅ?ｏｆ?ｇｒａｐｈｅｎｅ??１．３石墨稀的应用??石墨炼独特单原子厚度的二维平面结构，赋予了石墨煤优异的性质，这些性质使得??石墨稀广泛应用于电子、半导体、传感器、气体吸附剂、光学器件、储能等诸多领域
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯基宏观体:制备、性质及潜在应用[J]. 张丽芳,魏伟,吕伟,邵姣婧,杜鸿达,杨全红. 新型炭材料. 2013(03)
[2]氧化铜/石墨烯的制备及其电化学性能[J]. 丁翔,黄正宏,沈万慈,康飞宇. 新型炭材料. 2013(03)
本文编号：3114441
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．?２?（ａ）用氧等离子在高定向石墨表面刻油出的石墨岛阵列；??ｂ）为２００?ｎｍ的石ｃ等高的石墨岛［”］??
维晶体的表面起伏会破坏其长程有序ｔｉｅ］，但是实验制备的石墨稀在透射电子显微镜下发??现其存在大量波纹结构，振幅大约为ｌｎｍ［ｉ２，ｉ３］，因此，无论是独立存在的石墨稀还是沉??积在基底上的石墨炼都不是一个百分之百的平整完美平面（如图１．３）。石墨炼就是通过??表面形成的褶皱或吸附其他分子来维持自身的稳定性，纳米量级的表面微观粗糙程度可??能是二维晶体具有较好稳定性的根本原因。??，、代■ｕｙＯ、?０．０?ｉｍ?３００?－ｔａｏ?ｍ?ｍｉ?ｙ＆．＆?ｒｎｄ?ｍ．０??图１．３石墨插的表面起伏［１２?１３］?、??Ｆｉｇ．?１．３?Ｔｈｅ?ｆｏｄｉｎｇ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｇｒａｐｈｅｎｅ＇＇＾＇??ｆ??１．２石墨稀的结构和性质??石墨稀是由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状晶格结构，每一个碳原子通过??ｓｐ２杂化轨道以“头碰头”的方式周围其它三个碳原子以ＣＪ键相连构成正六边形，碳－碳键??长为０．１４２?ｎｍ?（如图１．１４），而每一个碳原子剩余的ｐ电子通过“肩并肩”的方式形成了??一个垂直于晶面方向大７１键。单层石墨稀厚度约为０．３５?ｎｍ。正是由于这种独特的结构??赋予了石墨炼独特的性质。??１、超局的强度??由于石墨炼平面内形成的Ｇ键具有超高的键能，使得石墨烯具有超高的强度，单层??石墨稀的断裂强度能够达到４２?Ｎ?ｍ＂＇，而与其相同厚度的钢的断裂强度为０．０８４－０．４?Ｎ??ｍ＿ｉ
３、超大的理论比表面积??石墨稀单原子厚度的结构使得其中的碳原子能够完全暴露，使其具有超大的理论比??表面积。根据石墨炼中每一个碳原子组成的正六边形的边长为０．１４２?ｎｍ?（如图１．４），且??该六边形中含有两个完整的碳原子，再根据每个碳原子的质量约为１．９９３Ｘ１０＿２３?ｇ则可??计算石墨條的理论比表面积为２６００ｍ２ｇ－ｉ［ｉ６］，该比表面积远远大于其它炭材料的比表面??积。??４、优异的导热性??石墨炼的热导率可以达到５０００Ｗｍ＿ｉＫ－＿，而金属铜的热导率为４０１?ＷｍｆｉＫ－ｉ，二??者相差十倍。??５、良好的透光率??石墨炼具有良好的透光率，石墨炼可以让约９７．７％的可见光透过［１８］。??此外，石墨煤还具有半整数量子霍尔效应［１９］等性质。石墨炼一系列的纳米结构特性??赋予了石墨煤优异的物理、化学性能，使其在许多领域具有应用的潜力。??０．１４２?ｎｍ??ｇｇ??图１．４石墨燒的六边形结构??Ｆｉｇ．?１．４?Ｈｅｘａｇｏｎａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｅ?ｏｆ?ｇｒａｐｈｅｎｅ??１．３石墨稀的应用??石墨炼独特单原子厚度的二维平面结构，赋予了石墨煤优异的性质，这些性质使得??石墨稀广泛应用于电子、半导体、传感器、气体吸附剂、光学器件、储能等诸多领域
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯基宏观体:制备、性质及潜在应用[J]. 张丽芳,魏伟,吕伟,邵姣婧,杜鸿达,杨全红. 新型炭材料. 2013(03)
[2]氧化铜/石墨烯的制备及其电化学性能[J]. 丁翔,黄正宏,沈万慈,康飞宇. 新型炭材料. 2013(03)
本文编号：3114441
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