功能性石墨烯基復(fù)合材料的研究.pdf

1、石墨烯具有獨(dú)特的二維(2-D)納米結(jié)構(gòu)，可作為其他碳質(zhì)材料（金剛石、石墨、碳納米管等）的基本組成單元。石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)賦予了其高強(qiáng)度，優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能以及高比表面積，有廣闊的潛在應(yīng)用前景，因而受到了廣泛的關(guān)注。目前，石墨烯/聚合物復(fù)合材料是石墨烯領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，然而石墨烯具有高各向異性比，高表面能，容易發(fā)生團(tuán)聚，在聚合物基體中難以均勻分散，而且石墨烯表面活性低，與基體的界面結(jié)合力弱，因此提高石墨烯在聚合物中的分散性是石墨烯/聚合

2、物復(fù)合材料制備的關(guān)鍵因素。此外，制備具有特殊結(jié)構(gòu)的石墨烯/無(wú)機(jī)物復(fù)合材料，使材料具有較高電容、高倍率性能、循環(huán)性能以及較高的功率密度和能量密度，在如今對(duì)能源綜合利用、環(huán)境保護(hù)顯得尤為重要。本論文主要從石墨烯衍生物的宏觀新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及組裝性能調(diào)控、與聚合物材料的復(fù)合以及其與無(wú)機(jī)金屬氧化物和氫氧化物的自組裝等方面制備石墨烯復(fù)合材料，并對(duì)其力學(xué)性能、吸波性能以及電化學(xué)性能進(jìn)行深入分析研究。具體研究?jī)?nèi)容主要有:
　　 通過(guò)溶液共混法制備

3、氧化石墨烯(G-O)/氫化羧基丁腈橡膠(HXNBR)復(fù)合材料。以由天然石墨作為原材料，通過(guò)改良的Hummers方法將其氧化制備氧化石墨(GO)，在N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中超聲分散后，單層G-O厚度是0.9nm，寬度和長(zhǎng)度分別約為2.5μm和3μm;G-O的DMF分散液可以和HXNBR的四氫呋喃(THF)溶液進(jìn)行均勻混合。當(dāng)加入0.44vol％G-O片層時(shí)，HXNBR的拉伸強(qiáng)度和200％定伸模量分別提高超過(guò)50％和100％。力學(xué)性

4、能的提高可能主要是源自于G-O片層中的含氧官能團(tuán)和HXNBR中的羧基的氫鍵相互作用而有較強(qiáng)的界面相互作用。此外，在加入1.3vol％的G-O片層時(shí)，HXNBR的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高。這一結(jié)果同樣表明G-O片層的均勻分散以及和基體間較強(qiáng)的界面相互作用使其對(duì)HXNBR具有有效的補(bǔ)強(qiáng)作用。
　　 通過(guò)簡(jiǎn)單的水溶液共混的方法制備化學(xué)還原石墨烯(CR-G)/聚氧化乙烯(PEO)復(fù)合材料。通過(guò)改良的Hummers方法制備了GO，并將其超聲分散

5、于水中得到G-O，所得的G-O和PEO進(jìn)行共混后用抗壞血酸(L-AA)對(duì)G-O進(jìn)行原位還原，還原后得到的單片CR-G片層厚度為約1nm，長(zhǎng)度和寬度均約為1.5μm，表明得到的還原石墨烯片層依然具有高的比表面積(約1500)。由于G-O和PEO之間的氫鍵相互作用，G-O可以以分子級(jí)分散于PEO中，在之后的還原過(guò)程，PEO分子鏈可以起到阻隔劑的作用防止CR-G的重新堆疊。導(dǎo)電CR-G在PEO基體中均勻的分散，得到CR-G/PEO復(fù)合材料具有

6、高介電常數(shù)。CR-G/PEO復(fù)合材料(2.6vol％)具有高的微波吸收性能，最低反射率是-38.8dB。CR-G片層在聚合物基體中可以形成大量的導(dǎo)電路徑可以對(duì)微波能進(jìn)行耗散成熱能，耗散作用還與大的CR-G/PEO界面引起的界面散射有關(guān)。
　　 通過(guò)水熱法制備G-O/SnO2水凝膠。所得水凝膠在經(jīng)過(guò)冷凍干燥和熱還原后得到了熱還原石墨烯(TR-G)/SnO2氣凝膠，這種材料可以作為獨(dú)立電極應(yīng)用于鋰離子電池(LIBs)領(lǐng)域，不需要額外

7、加入粘合劑和集流體，因此材料極輕且導(dǎo)電性高，是理想的電極材料。在掃描電流密度為100mAg-1時(shí)，此電極具有高的可逆電容值達(dá)550mAhg-1，在充放電過(guò)程循環(huán)10圈以后，庫(kù)倫效率保持在98％以上，具有非常好的可逆性，該電極在充放電循環(huán)100圈以后，電容值仍保持在490mAhg-1以上。此外，材料還具備高的倍率性能，當(dāng)掃描電流密度升高到800mAg-1時(shí)，可逆電容仍然保持在141mAhg-1。材料高的性能主要是源自于TR-G的特殊的3-

8、D導(dǎo)電結(jié)構(gòu)和SnO2在其表面的均勻生長(zhǎng)，使得離子和電子在電解質(zhì)和電極之間有快速的傳輸，同時(shí)TR-G的3-D結(jié)構(gòu)為充放電過(guò)程Li+的插入和脫出提供緩沖空間，保證電極的完整性不會(huì)粉化。
　　 制備了可以用于非對(duì)稱(chēng)電化學(xué)電容器(EC）的電極兩種新型復(fù)合材料。正極由泡沫石墨(GF)以及長(zhǎng)在上面的Co(OH)2組成，這種電極是獨(dú)立電極，不需要額外加入粘合劑和集流體。因此這種材料非常輕并且具有高導(dǎo)電性，是理想的電極材料。Co(OH)2是在水

9、相中長(zhǎng)在GF表面的，用三電極法測(cè)得這種電極的比電容是966F/g(掃描速率為5mVs-1)，高的比電容主要是因?yàn)镚F的高的電導(dǎo)率和特殊的3-D結(jié)構(gòu)，這種3-D結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)電解液與Co(OH)2接觸。負(fù)極材料使用的是活化的微波剝離的氧化石墨(a-MEGO)，這種材料具有多孔結(jié)構(gòu)，利于電子和離子的傳輸。經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算，組裝了以GF/Co(OH)2為正極、a-MEGO為負(fù)極的非對(duì)稱(chēng)電化學(xué)電容器，這種電容器在KOH中進(jìn)行了兩電極測(cè)試，此電化學(xué)電容