三維多孔石墨烯復(fù)合材料的氣泡模板制備方法及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、石墨烯具有超大比表面積、良好的導(dǎo)電性以及優(yōu)異的化學(xué)/電化學(xué)穩(wěn)定性，是電子器件、電化學(xué)催化和能量?jī)?chǔ)存及轉(zhuǎn)化等應(yīng)用領(lǐng)域理想的電極材料。然而由于石墨烯片層之間的π-π相互作用，石墨烯之間容易發(fā)生堆疊現(xiàn)象，從而減小石墨烯材料的比表面積和導(dǎo)電性，限制了其作為電極材料的應(yīng)用。將具有納米尺寸的二維石墨烯組裝成高級(jí)有序的三維結(jié)構(gòu)，不僅可以極大保留石墨烯的各種優(yōu)異性能，還可以通過(guò)調(diào)控其結(jié)構(gòu)和形貌獲得更多的功能和應(yīng)用。本論文以石墨烯的三維組裝及其電化學(xué)性能

2、研究為主題，以氧化石墨烯作為基本構(gòu)筑單元，通過(guò)氣泡模板法先后構(gòu)筑具有三維多孔結(jié)構(gòu)的還原石墨烯、石墨烯/聚吡咯、氮摻雜石墨烯組裝體，探索了組裝機(jī)制并研究了它們?cè)诔?jí)電容器和電化學(xué)催化氧還原應(yīng)用中的電化學(xué)性質(zhì)。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　(1)以溶液中的氫氣泡作為軟模板，通過(guò)在不同的導(dǎo)電基片上電化學(xué)還原沉積制備了具有三維多孔結(jié)構(gòu)的還原石墨烯電極材料，探索了在氫氣泡導(dǎo)向下三維多孔石墨烯組裝體的形成機(jī)制，探索了沉積時(shí)間、沉積電壓、表面活

3、性劑的濃度對(duì)于該三維多孔石墨烯組裝體結(jié)構(gòu)和形貌的影響。通過(guò)掃描電子顯微鏡、拉曼光譜、X射線光電子能譜、電化學(xué)等表征手段，研究了三維石墨烯的還原程度、結(jié)構(gòu)組成以及電化學(xué)性質(zhì)。
　　(2)以第一個(gè)工作制備得到的三維大孔石墨烯電極作為工作電極，電化學(xué)聚合吡咯，制備石墨烯/聚吡咯三維多孔復(fù)合材料。復(fù)合材料中石墨烯/聚吡咯的含量比可以通過(guò)改變電化學(xué)聚合時(shí)間進(jìn)行調(diào)控。由于石墨烯的三維導(dǎo)電框架，石墨烯/聚吡咯復(fù)合材料在超級(jí)電容器性能測(cè)試中展現(xiàn)出

4、了大的面積比電容(196 mF/cm2，1 mA/cm2)以及快速充放電的能力。將該復(fù)合材料電極成功的組裝成器件，可以使商用的紅色LED燈發(fā)光。
　　(3)將第二個(gè)工作得到的石墨烯/聚吡咯復(fù)合材料進(jìn)行高溫煅燒，制備具有三維多孔結(jié)構(gòu)的氮摻雜石墨烯材料，石墨烯材料中氮元素含量和形式可由煅燒溫度控制。制備得到的氮摻雜三維多孔石墨烯可以作為電化學(xué)催化氧還原反應(yīng)的催化劑。其中，800℃溫度下煅燒的氮摻雜石墨烯在氧還原催化反應(yīng)中遵循四電子轉(zhuǎn)移