煤基石墨烯的制備、修飾及應(yīng)用研究.pdf

1、石墨烯作為一種新型二維碳材料，具有獨特的結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)以及熱學(xué)性質(zhì)，在儲能、催化、傳感器等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景，引起了世界的廣泛關(guān)注。廉價、可控制備石墨烯以及石墨烯材料的功能化修飾是影響石墨烯材料發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵。
　　煤炭是自然界富存的以多環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)單元為主的含碳有機物，在新型碳材料制備中扮演著重要角色。本論文以煤炭為原料，針對煤基石墨烯的可控制備及其在光催化和電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究。在石墨烯制備方面重點

2、研究了煤結(jié)構(gòu)對煤石墨化過程的影響，探討了影響煤基石墨烯結(jié)構(gòu)和性能的主要因素；在應(yīng)用方面重點考察了煤基氧化石墨烯復(fù)合材料在CO2光催化過程中的催化特性以及煤基石墨烯復(fù)合材料的電化學(xué)性能。相關(guān)研究結(jié)果對于開拓煤炭材料化利用的新途徑，闡明影響煤基石墨烯結(jié)構(gòu)和性能的因素具有重要的理論和應(yīng)用價值。
　　首先，在煤基石墨烯制備方面，論文探討了煤基石墨和煤基石墨烯制備的方法，以及影響石墨烯光催化特性和電化學(xué)性能的關(guān)鍵因素。煤經(jīng)過不同石墨化工藝進(jìn)

3、行結(jié)構(gòu)調(diào)變之后，進(jìn)一步采用氧化法和低溫等離子體還原技術(shù)實現(xiàn)了煤基石墨烯的制備。研究結(jié)果表明：在2500℃及1500℃條件下，催化石墨化均可以實現(xiàn)煤有機大分子結(jié)構(gòu)的有序化調(diào)變，所得煤基石墨的石墨化度均可達(dá)到65％以上；當(dāng)煤中加入氯化鐵/硼酸復(fù)合催化劑，經(jīng)過1500℃熱處理后，所得煤基石墨的石墨化度可以提高到71.63%。此外，不同變質(zhì)程度的煤經(jīng)催化石墨化作用后，其產(chǎn)物的石墨化程度也有差異，無煙煤因其有機大分子基本結(jié)構(gòu)單元中芳香層片更大，因

4、此更易石墨化。催化石墨化機理表現(xiàn)為硼元素削弱煤炭有機大分子結(jié)構(gòu)中芳香層片之間橋鍵的交聯(lián)作用，鐵元素與分解得到的芳香層片相結(jié)合形成相應(yīng)的碳化物，當(dāng)催化劑中無序排列的炭達(dá)到飽和時，部分炭以低能級的石墨化碳結(jié)晶形態(tài)沉積下來形成煤基石墨。
　　其次，研究了ZnO/煤基氧化石墨烯復(fù)合材料在CO2光催化還原過程中的應(yīng)用。本研究以煤基氧化石墨烯為基材，通過共沉淀法制備了ZnO/煤基氧化石墨烯復(fù)合材料，考察了煤基氧化石墨的結(jié)構(gòu)及ZnO負(fù)載量對復(fù)合

5、材料光催化CO2還原過程的影響。研究結(jié)果表明：不同負(fù)載量的 ZnO/煤基氧化石墨烯復(fù)合材料對 CO2的光催化還原均具有一定光催化作用，其在可見光區(qū)的催化活性和選擇性明顯優(yōu)于紫外光區(qū)，煤基氧化石墨烯結(jié)構(gòu)及特性是影響ZnO/煤基氧化石墨烯復(fù)合材料光催化活性和選擇性的關(guān)鍵因素；在可見光作用下，ZnO/煤基氧化石墨烯復(fù)合材料的光催化活性表現(xiàn)為 ZnO/KCGO復(fù)合材料>ZnO/TXGO復(fù)合材料>ZnO/JCGO復(fù)合材料（復(fù)合比為7:3，添加量為

6、1g/L），并且對甲酸有較高的選擇性，產(chǎn)物中甲酸產(chǎn)率與甲醇產(chǎn)率之比最高可達(dá)35.36。這主要是由于煤基氧化石墨烯的加入，其自身較大的間隙能，增強了該復(fù)合材料在可見光區(qū)的吸收能力，同時有助于促進(jìn)光生電子的還原能力。
　　最后，本論文研究了煤基石墨烯及MnO2/煤基石墨烯復(fù)合材料在超級電容器電極材料中的應(yīng)用，分析了煤基石墨烯片層大小和結(jié)構(gòu)缺陷對煤基石墨烯及其復(fù)合材料電化學(xué)性能的影響。當(dāng)煤基石墨烯材料用作超級電容器正極材料時，其首次充放

7、電比電容量的高低順序為：KCG>TXG>JCG；當(dāng)MnO2/煤基石墨烯復(fù)合材料用作超級電容器正極材料時，首次充放電的比電容量值相較于煤基石墨烯有了很大提高，這是因為石墨烯片層結(jié)構(gòu)與線性二氧化錳復(fù)合時產(chǎn)生了強烈的協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)電性能；煤基石墨烯的結(jié)構(gòu)不同，其與二氧化錳協(xié)同效應(yīng)的大小也有差異，其中，MnO2/TXG復(fù)合材料的電化學(xué)性能提高最明顯，首次充放電的比電容量可以達(dá)到159.05 F/g，是TXG比電容量的3倍多。