基于石墨烯三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電極設(shè)計(jì)及其相關(guān)電化學(xué)性能研究.pdf

1、石墨烯是一種具有極高理論比表面積的碳材料，它擁有高導(dǎo)電性、高化學(xué)惰性、高熱穩(wěn)定性和出色的機(jī)械性能等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此，它在眾多領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用，諸如能量儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)化、催化應(yīng)用以及熱管理等領(lǐng)域。特別地，由于石墨烯的高導(dǎo)電性、高化學(xué)穩(wěn)定性和出色的機(jī)械性能，它通常在能量儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)化和催化領(lǐng)域被用作優(yōu)秀的電極基底，不過，目前為止絕大多數(shù)石墨烯的研究與應(yīng)用均是基于它的粉體形式，從而存在著一系列的問題，比如多步驟、復(fù)雜和耗時(shí)的電極制備過程，且可能需要N

2、afion來固定電極上的催化劑，而且缺乏一定的溶液擴(kuò)散通道、缺乏催化劑對(duì)電解質(zhì)的充分暴露和接觸，以及缺乏對(duì)電化學(xué)電極上催化劑的精確定量等等。
　　而石墨烯三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（G3DN）可以完美地克服粉體形式石墨烯的諸多缺點(diǎn)，不僅保留了石墨烯高比表面積、出色的導(dǎo)電性和電化學(xué)穩(wěn)定性等石墨烯自身的優(yōu)點(diǎn)，還擁有電極制備極為簡(jiǎn)單、豐富的三維電解液擴(kuò)散孔道、電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好無需Nafion作為催化劑固定膜等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。于是，本文選取G3DN作為研究對(duì)

3、象，制備出G3DN并基于它構(gòu)建了性能出色的甲醇乙醇電催化電極、葡萄糖檢測(cè)電極和電化學(xué)儲(chǔ)能電極，且基于這些電極拓展了電化學(xué)電極的種類和制備方法。
　?、僭诠枰r底上生長了G3DN，并在G3DN上擔(dān)載鉑納米顆粒用于甲醇和乙醇的電催化氧化。鉑納米顆粒在G3DN上的可控?fù)?dān)載通過一種簡(jiǎn)單、可重復(fù)和環(huán)境友好的方法完成。G3DN對(duì)電催化活性的影響用擔(dān)載了同樣量鉑納米顆粒的商業(yè)粉體石墨烯（CGS）做了對(duì)比研究。Pt/G3DN（0.01 mg cm-

4、2）電極對(duì)甲醇和乙醇均展現(xiàn)了極好的電催化活性，對(duì)它們的電催化氧化峰電流分別是910.11 mA mg和246.69 mA mg，這是由于Pt/G3DN電極高密度的三維活性位點(diǎn)、波浪形石墨烯片三維網(wǎng)絡(luò)通道以及鉑納米顆粒和石墨烯的協(xié)同效應(yīng)。該電極正向和反向電勢(shì)掃描得到的氧化峰電流密度的比值對(duì)于甲醇和乙醇分別是2.79和0.65。這些結(jié)果揭示了Pt/G3DN電極優(yōu)異的特性，如易制備、高催化活性、高穩(wěn)定性和對(duì)甲醇電催化氧化的高耐毒性。
　

5、?、谟捎谄咸烟堑拇呋趸豢赡馨l(fā)生在催化劑的表面上，所以增大催化劑的比表面積是獲得高催化性能的有效途徑之一。于是，本文發(fā)展了一個(gè)極為簡(jiǎn)單卻非常有效的方法來制備了高靈敏度且無Nafion固定膜的無酶葡萄糖傳感器電極，即通過在生長于柔性碳紙（CP）上的G3DN上原位沉積Cu2O納米顆粒而制得，且它所擔(dān)載的催化劑可以精確定量。并通過制得的傳感器電極Cu2O/G3DN/CP獲得了極為出色的葡萄糖傳感性能，如靈敏度和響應(yīng)時(shí)間分別是(2.31±0.

6、03)×103μA mM-1 cm-2和1.6 s，檢測(cè)極限是0.14±0.01μM，線性范圍為0.48μM~1813μM等。此外，該傳感器表現(xiàn)出了良好的性能穩(wěn)定性，在10日之后靈敏度依然保持了初始值的95.5％。特別地，由于Cu2O納米顆粒可以精確定量地沉積在G3DN上，這有利于公共健康領(lǐng)域和工業(yè)上傳感器的大規(guī)模生產(chǎn)和其性能的精確控制。此外，這里制備葡萄糖傳感器電極Cu2O/G3DN的方法可以應(yīng)用到其他類似的電化學(xué)傳感器。
　　

7、③由于法拉第氧化還原反應(yīng)主要發(fā)生在氧化還原贗電容材料的表面，所以增大氧化還原贗電容材料的比表面積是一個(gè)獲得優(yōu)異電化學(xué)儲(chǔ)能性能的有效途徑。于是，本文發(fā)展了一個(gè)無粘合劑的三維構(gòu)架電極用于高倍率電化學(xué)儲(chǔ)能，該電極是由一個(gè)通過化學(xué)氣相沉積方法直接在可彎曲的碳紙上生長的G3DN和在石墨烯上原位熱分解生長的NiO納米顆粒組成，記為NiO/G3DN/CP，它具備大比表面積和快速電子轉(zhuǎn)移通道。該電極獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其獲得杰出的性能，在電流密度為0.5

8、mA cm-2(0.67 A g-1)同時(shí)NiO納米顆粒擔(dān)載量為0.7471 mg cm-2的條件下獲得了89.1 mAh cm-2(119.2 mAh g-1)的比容量。同時(shí)，該電極展示了出色的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，在深放電3000次之后依然擁有初始容量的85.5%。此外，基于NiO/G3DN/CP電極我們制作了面積為4cm2固態(tài)對(duì)稱型電化學(xué)電容器，兩個(gè)這種電容器串聯(lián)可以點(diǎn)亮100盞綠色發(fā)光二極管（LED）2分鐘。G3DN擔(dān)載納米Ni