石墨烯基納米材料的制備及其在離子液體中的應(yīng)用.pdf

1、石墨烯因其超高的比表面積、良好的熱穩(wěn)定性、高的導(dǎo)電率以及優(yōu)異的機(jī)械性能，在新型能源、催化和電子等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。室溫離子液體因其不揮發(fā)性、較寬的電化學(xué)窗口及良好的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性而被廣泛應(yīng)用于催化及電化學(xué)領(lǐng)域。離子液體與水溶液和傳統(tǒng)有機(jī)溶液相比在組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此可將離子液體用作超級(jí)電容器的電解液、電化學(xué)催化和有機(jī)催化的綠色介質(zhì)。本文采用化學(xué)方法合成了一系列石墨烯基復(fù)合材料，對(duì)所制備復(fù)合材料的形貌、結(jié)構(gòu)及物理化

2、學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并探討了以離子液體作為電解液時(shí)的超電容性能、電催化性能和異相界面催化性能，具體研究結(jié)果如下：
　　(1)選擇碳酸氫銨為氮源，通過簡(jiǎn)單的一步水熱法成功的制備了三維氮摻雜石墨烯水凝膠(N-RGOH)。形貌、結(jié)構(gòu)等表征結(jié)果表明N-RGOH具有三維多孔納米結(jié)構(gòu)，較大的比表面積(335.6 m2 g-1)和較高的氮含量(10.8 at％)。采用1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽([BMIM]PF6)離子液體作為電解液，

3、通過循環(huán)伏安法及恒電流充放電法對(duì)N-RGOH的超電容性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明:基于多孔結(jié)構(gòu)和氮原子摻雜的協(xié)同作用，N-RGOH//N-RGOH超級(jí)電容器在電流密度為0.5 A g-1時(shí)的比容值能高達(dá)48.6 F g-1，與單個(gè)N-RGOH電極的比容值相等(194.4 F g-1)且具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。由于[BMIM]PF6離子液體的電化學(xué)窗口能達(dá)到3.2 V，因此N-RGOH//N-RGOH超級(jí)電容器的能量密度能達(dá)到94.5 W h k

4、g-1。
　　(2)通過氧化石墨(GO)和尿素的一步熱處理成功制備了多孔氮摻雜石墨烯(PNG)，采用SEM、XRD、XPS和BET等方法對(duì)其微觀形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。通過循環(huán)伏安法和恒電流充放電方法對(duì)PNG在[BMIM]PF6離子液體中的超電容性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明:電流密度為1Ag-1時(shí)PNG電極的比容值為310 F g-1，且具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性能。[BMIM]PF6離子液體的電化學(xué)窗口能達(dá)到3V，因此PNG//PNG超級(jí)電容

5、器的能量密度能達(dá)到90.6 Wh kg-1。
　　(3)選用聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDDA)作為添加劑，通過水熱還原方法制備了石墨烯水凝膠(RGOH)，SEM結(jié)果表明所制備的RGOH具有三維連通的多孔結(jié)構(gòu);XRD和拉曼結(jié)果表明經(jīng)過水熱過程，RGOH被成功還原且表面仍保留大量缺陷。將制備的RGOH用作超級(jí)電容器的電極材料，以溶解了對(duì)苯醌(C6H4O2)的1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([BMIM] BF4)離子液體用作電解液，對(duì)

6、其進(jìn)行超電容性能研究。結(jié)果表明:相較于水溶液電化學(xué)電容器體系，選用C6H4O2/[BMIM]BF4作為電極系統(tǒng)可顯著增大RGOH5//RGOH5電容器的比容值（49.5 F g-1），并與單個(gè)RGOH5電極的比容值相等(198 F g-1)，且能量密度也得到了大幅提高（功率密度為126 W kg-1時(shí)能量密度為114.2Whkg-1）。
　　(4)通過熱解GO/PPY制備出多孔氮摻雜石墨烯(N-RGO)，再通過水熱還原方法在不添加

7、任何還原劑的情況下成功制備了負(fù)載RuO2納米顆粒的氮摻雜石墨烯復(fù)合材料(RuO2/N-RGO)。SEM、XRD和XPS等研究表明經(jīng)過高溫煅燒氮原子成功的摻雜進(jìn)了石墨烯骨架中，氮摻雜石墨烯片層組成了大孔結(jié)構(gòu)，RuO2納米顆粒均勻分布在氮摻雜還原氧化石墨烯片層上。選擇[BMIM]BF4/H2O溶液作為電解液，通過循環(huán)伏安法及恒電流充放電法對(duì)RuO2/N-RGO的超電容性能進(jìn)行研究。RuO2/N-RGO復(fù)合材料具有良好的電容性能，在電流密度為

8、0.5 A g-1時(shí)的比容值為305 F g-1，且循環(huán)2000圈后，比容值僅減小了9％。該研究結(jié)果表明加入少量的水對(duì)[BMIM]BF4離子液體的電化學(xué)窗口沒有造成明顯的影響，電化學(xué)窗口仍能達(dá)到2.8 V;同時(shí)由于水的加入，可有效促進(jìn)N-RGO和RuO2在電解質(zhì)中的氧化還原反應(yīng)，從而大幅提高電極材料贗電容值，因而使得RuO2/N-RGO//RuO2/N-RGO超級(jí)電容器的能量密度達(dá)到80.3 W h kg-1。
　　(5)采用乙二

9、醇作為還原劑，碳酸氫銨作為氮源，通過水熱還原制各了負(fù)載了Ag納米顆粒的氮摻雜石墨烯水凝膠(Ag/N-RGOH)，SEM結(jié)果表明Ag/N-RGOH具有連通的多孔結(jié)構(gòu)且Ag納米顆粒均勻的分散在N-RGOH的表面和多孔框架上。Ag/N-RGOH對(duì)芐氯的電催化性能通過循環(huán)伏安法和計(jì)時(shí)電流法進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明Ag/N-RGOH電催化還原芐氯時(shí)峰電位較正且峰電流密度大，且在-1.5V的電位下掃描1800 s后，Ag/N-RGOH仍具有較高的電流密度

10、，證明其具有良好的催化活性和催化穩(wěn)定性。
　　(6)成功地利用相轉(zhuǎn)移方法將水相原位合成的負(fù)載了Pd納米顆粒的還原氧化石墨烯(Pd/RGO)轉(zhuǎn)移至[BMIM]PF6離子液體相，制備了Pd/RGO-IL體系。所制備的Pd/RGO催化劑采用TEM、XPS、XRD、FITR和TGA等方法進(jìn)行表征。原位合成的Pd納米顆粒平均粒徑為2 nm，且均勻分散在還原氧化石墨烯片層表面。所制備的Pd/RGO-IL體系對(duì)Heck反應(yīng)有良好的催化活性和催化