近年來,超級電容器已經(jīng)成為新能源領(lǐng)域的科研與應(yīng)用熱點(diǎn)。傳統(tǒng)超級電容器雖然可以保持很高的比電容和能量密度,但是其充放電倍率性能較差,循環(huán)壽命較短,這主要?dú)w因于電極材料的結(jié)構(gòu)和比表面積的大小。碳元素是構(gòu)成生物機(jī)體的最基本元素,碳材料始終在人類發(fā)展歷史上起著主導(dǎo)作用。石墨烯是單層碳原子以sp²鍵合的平面連通結(jié)構(gòu),這種完美的晶體結(jié)構(gòu)給予石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、大比表面積和易改性表面化學(xué)等特性,在超級電容器儲(chǔ)能領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。三維孔狀石墨烯氣凝膠（Graphene Aerogel,GA）由二維石墨烯薄片通過化學(xué)交聯(lián)形成,不僅擁有石墨烯的優(yōu)異導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和機(jī)械強(qiáng)度,而且孔隙率極高,與傳統(tǒng)的高比表面積材料相比,GA作為超級電容器電極材料的有效表面積不依賴于固態(tài)下的孔隙分布,這種具有三維連通孔結(jié)構(gòu)的電極材料在超級電容器等新型綠色能源領(lǐng)域潛力無窮,是未來儲(chǔ)能領(lǐng)域的風(fēng)向標(biāo)。然而,石墨烯是一種帶隙為零的半導(dǎo)體/半金屬材料,低開關(guān)比和大漏電流使石墨烯無法大規(guī)模應(yīng)用在電子器件領(lǐng)域中,為了提升石墨烯超級電容器的電化學(xué)性能,可以通過非金屬雜原子的化學(xué)摻雜打開石墨烯的帶隙,調(diào)整石墨烯能帶結(jié)構(gòu),... 

【文章來源】： 任帥 陜西理工大學(xué)

【文章頁數(shù)】：89 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

（a）相同碳原子構(gòu)成了石墨烯二維六邊形結(jié)構(gòu)；（b）石墨烯面內(nèi)的σ鍵和π軌道原理

第1章緒論-5-的石墨烯光電探測器，它同時(shí)具有高響應(yīng)性、速度快和寬光譜帶寬等一系列優(yōu)勢。石墨烯本身纖薄的特點(diǎn)結(jié)合超高的透光率和導(dǎo)電性，成為制備柔性電子屏幕、透明電極、光伏器件和基于硅波導(dǎo)光電器件等的理想材料。圖1-2（a）50μm孔洞被石墨烯和雙層石墨烯部分遮蓋；（b）單層石墨烯的透射光譜[31]Fig.1-2(a)The50μmapertureispartiallycoveredbygrapheneanddouble-layergraphene;(b)transmissionspectrumofsingle-layergraphene[31]4）熱性能熱導(dǎo)率是表征材料導(dǎo)熱能力的物理量。石墨烯作為一種單原子層厚度的二維晶體，其導(dǎo)熱性歸因于晶格的熱振動(dòng)。石墨烯內(nèi)的六種極性聲子大幅提升了其導(dǎo)熱性能，基于聲子導(dǎo)熱理論計(jì)算出銅的熱導(dǎo)率為380W/mK、單臂碳納米管為3500W/mK[35]、多壁碳納米管為3000W/mK[36]、金剛石的熱導(dǎo)率在2000W/mK左右[37]，模擬計(jì)算出石墨烯的熱導(dǎo)率高達(dá)5000W/mK，是迄今為止最高的導(dǎo)熱材料[38]。石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)熱性可以應(yīng)用在采暖、電子信息和醫(yī)學(xué)護(hù)具等領(lǐng)域。1.2.2石墨烯的制備方法單層石墨的制備工作最早可以追溯到1975年，當(dāng)時(shí)Lang等人[39]通過熱降解的方式在單晶鉑表面沉積了單層石墨，但是，由于制備工藝的不完善和表征設(shè)備落后，金屬鉑不同晶面制備的單層石墨并沒有得到進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用。后來的幾十年時(shí)間石墨烯的制備工作并沒有取得突破性的進(jìn)展。直到2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的Geim和Novoselov成功制備了單層穩(wěn)定石墨烯，推翻了經(jīng)典的“熱力學(xué)漲落不允許二維晶體在有限溫度下自由存在”的經(jīng)典理論，他們首次向世界展示機(jī)械剝離法可以重復(fù)制備單層石墨烯[40]。自此之后，關(guān)于石墨烯的制備方法層出不窮，科學(xué)家們都在致力去尋求高效低成本的單層石墨烯制備方法。

陜西理工大學(xué)碩士學(xué)位論文-6-（1）機(jī)械剝離法自從2004年石墨烯被成功制備以來，機(jī)械剝離法受到科研人員廣泛的關(guān)注和研究。機(jī)械剝離法可以制備單層高結(jié)晶度的高質(zhì)量石墨烯，其主要步驟是先利用氧氣等離子體在高定向熱解石墨（HighlyOrientedPyrolyticGraphite，HOPG）進(jìn)行離子刻蝕，然后利用透明膠帶對粘在玻璃襯底上的HOPG反復(fù)撕扯，之后去除多余的HOPG并將表面附著石墨烯的玻璃在丙酮溶液中超聲處理，并最終得到單層石墨烯（圖1-3所示）[40]。圖1-3石墨烯薄膜：（a）氧化硅上大面積多層石墨烯；（b）二氧化硅（SiO2）表面AFM照片；（c）單層石墨烯的AFM照片；（d）實(shí)驗(yàn)裝置的掃描電鏡圖；（e）制備裝置的原理圖[40]Fig.1-3Graphenefilm:(a)Largeareamultilayergrapheneonoxidegraphenewafer;(b)AFMimageoftheSiO2surface;(c)AFMofsingle-layergraphene;(d)scanningelectronmicroscopyofpreparationdevice;(e)schematicdiagramofthepreparationdevice[40]但是，機(jī)械剝離法也有很多缺點(diǎn)，如無法獲得均勻高質(zhì)量石墨烯、制備過程繁瑣費(fèi)時(shí)、無法大規(guī)模制備和難以工業(yè)化應(yīng)用。為了加快制備效率，Jayasena等人[41]利用超尖銳單晶金剛石楔子輔以超聲震蕩去剝離HOPG，從而制備了高品質(zhì)單層石墨烯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)的機(jī)械剝離法可以合成數(shù)微米的單層石墨烯，拉曼光譜（RamanSpectroscopy，Raman）表明超聲震蕩能夠顯著減少石墨烯的微晶尺寸，此方法的改進(jìn)對于機(jī)械剝離制備高品質(zhì)石墨烯意義重大。Chen等人[42]受到“透明膠帶法”的啟發(fā)，利用三輥軋機(jī)和高分子聚合物連續(xù)剝離天然石墨從而制備出了高質(zhì)量單層和少層石墨烯。表征結(jié)果顯示，單層石墨烯的厚度在113-141nm。三輥軋機(jī)的機(jī)械剝離過程可規(guī)模化、低成本制備單層石墨烯或者原位制備?

【參考文獻(xiàn)】：
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博士論文
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碩士論文
[1]石墨烯基復(fù)合材料的制備及其在超級電容器中的應(yīng)用[D]. 張凱立.浙江工業(yè)大學(xué) 2019
[2]基于硒化鎳及其復(fù)合電極材料的非對稱超級電容器研究[D]. 顧蕓.華僑大學(xué) 2019
[3]稀土元素?fù)诫s二氧化錳微粒制備研究[D]. 趙娜英.西安科技大學(xué) 2018
[4]超聲化學(xué)法制備金屬氧化物/石墨烯復(fù)合材料及其電化學(xué)性能[D]. 李冉.湖北大學(xué) 2018
[5]雜原子摻雜石墨烯氣凝膠的制備及其在超級電容器中的應(yīng)用[D]. 劉兆恩.河南師范大學(xué) 2018
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本文編號：2921270