低維碳材料——碳納米管與石墨烯微結(jié)構(gòu)的制備和應(yīng)用.pdf

1、碳有眾多同素異形體，其中碳的一維結(jié)構(gòu)材料碳納米管一直是科研人員的研究焦點(diǎn)，在近二十年來(lái)令世人矚目。近年來(lái)，碳材料方面的研究出現(xiàn)了新突破，科學(xué)家們成功制備出其二維結(jié)構(gòu)材料—石墨烯，從而使低維碳材料的研究進(jìn)入一個(gè)新的空間。低維碳材料具有獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)和特殊的電學(xué)特性，因而在物理學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)和生物學(xué)等領(lǐng)域都獲得了廣泛而深入的研究，應(yīng)用前景非常廣闊。而且低維碳材料的微結(jié)構(gòu)與其應(yīng)用之間存在著密切的關(guān)系。因此本論文的目的是研究低維碳材料—碳納米

2、管和石墨烯微結(jié)構(gòu)的制備與應(yīng)用。研究工作分為五章，可以概括如下:
　　第一章:簡(jiǎn)要地介紹了低維碳材料—碳納米管與石墨烯的化學(xué)結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用和制備方法，以及低維碳材料的微結(jié)構(gòu)及其制備方法，并闡明了我們的選題思路和研究?jī)?nèi)容。
　　第二章:介紹了基于受控?fù)]發(fā)自組裝制備碳納米管陣列圖案的方法。利用受控?fù)]發(fā)自組裝制備規(guī)整的聚合物/無(wú)機(jī)前驅(qū)體圖案，使用掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡對(duì)圖案進(jìn)行表征;研究了聚合物溶液濃度對(duì)圖案形成的影響，發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)節(jié)

3、溶液濃度可以得到多種不同的有序圖案;研究了有序圖案形成的機(jī)理;聚合物/無(wú)機(jī)前驅(qū)體圖案經(jīng)紫外光交聯(lián)與高溫煅燒后得到具有催化活性的無(wú)機(jī)微圖案，采用背散射電子成像(BSE)、X射線能譜(EDX)和光電子能譜(XPS)對(duì)其進(jìn)行表征;以無(wú)機(jī)微圖案為模板，通過(guò)化學(xué)氣相沉積法制備得到與無(wú)機(jī)微圖案相對(duì)應(yīng)的碳納米管陣列圖案，并用掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行充分的表征。
　　第三章:介紹了三維多孔石墨烯基復(fù)合材料的制備及其電容器性

4、能。利用電化學(xué)方法還原氧化石墨烯(GO)溶液制備得到三維多孔石墨烯材料(ERGO);在ERGO多孔結(jié)構(gòu)上原位電沉積第二組分，得到了多種三維多孔石墨烯基復(fù)合材料;具體研究了苯胺在ERGO電極上的電化學(xué)聚合過(guò)程，表明較低的沉積速率是保證第二組分均勻沉積的重要原因;研究了ERGO與聚苯胺的三維多孔復(fù)合材料(ERGO/PANI)的電容器性能，其在1.4A/g的充放電速率下比質(zhì)量電容高達(dá)560Fg-1，當(dāng)充放電速率增大到4.2A/g時(shí)，仍能保持5

5、02Fg-1的比質(zhì)量電容;ERGO/PANI的高比質(zhì)量電容、快速充放電性能和低內(nèi)阻體現(xiàn)了通過(guò)這種方法制備得到的三維多孔石墨烯基復(fù)合材料在電化學(xué)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì);還研究了ERGO/PANI復(fù)合材料中所負(fù)載的PANI的量對(duì)材料電容器性能的影響。
　　第四章介紹了石墨烯/離子液體(ERGO/RTIL)多孔材料在太陽(yáng)能熱電發(fā)電器(STEG)中的應(yīng)用。利用第三章中制備得到的三維多孔石墨烯，通過(guò)溶劑交換制備ERGO/RTIL多孔材料，與ERGO/水