【摘要】：石墨烯(Graphene,G),一種由碳原子以SP~2雜化形成的具有蜂巢狀晶體結(jié)構(gòu)的新型無(wú)機(jī)納米二維薄膜材料,它僅有單原子層的厚度,為0.335nm,作為其它碳材料的基本組成單元可以通過(guò)不同的方式構(gòu)成富勒烯、碳納米管和石墨。石墨烯表現(xiàn)出眾多的優(yōu)異特性(比如高光透過(guò)率、極高的電子遷移率、高導(dǎo)熱系數(shù)、高強(qiáng)度、極大的比表面積等等)得益于它自身的獨(dú)特結(jié)構(gòu),由于這些獨(dú)特的性質(zhì)使其在微電子、有機(jī)光電、儲(chǔ)能、生物醫(yī)學(xué)和復(fù)合材料等眾多領(lǐng)域顯現(xiàn)出了巨大的研究?jī)r(jià)值和光明的應(yīng)用前景。基于這些,石墨烯依然是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)材料。目前,石墨烯的制備方法主要集中于機(jī)械剝離法、化學(xué)氧化還原法、化學(xué)氣相沉積法、碳化硅外延生長(zhǎng)法、碳納米管切開(kāi)法等,這些方法或多或少都存在各自的局限和缺點(diǎn)。于是尋找一種簡(jiǎn)單可大批量、成本低、高質(zhì)量、有效可控的石墨烯制備方法或者在原有制備方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝參數(shù)和條件的優(yōu)化顯得極為重要。然而,石墨烯在實(shí)際的應(yīng)用中往往不能將該有的優(yōu)異特性展現(xiàn)得淋漓盡致,原因是石墨烯之間存在著微弱的范德華力,使其分散不均,容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象,導(dǎo)致應(yīng)用效果的不佳。于是采取一定的方法對(duì)石墨烯進(jìn)行一定程度的改性很有必要,基本原理是通過(guò)電化學(xué)修飾的方法,在石墨烯表面或邊緣修飾上一些含氧的親水性官能團(tuán),這些官能團(tuán)的存在既可以保持親水性能又可以增加石墨烯層之間的距離,不易發(fā)生團(tuán)聚,穩(wěn)定的分散在水系溶劑當(dāng)中,致使在實(shí)際的應(yīng)用中發(fā)揮出石墨烯更加完美的效果。本論文的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:(1)本文采用本課題組自制的液態(tài)丙烯腈低聚物(LPAN)作為原料,通過(guò)260℃預(yù)氧化,粉碎,接著650℃和1400℃預(yù)燒結(jié),球磨以及高能球磨,最后進(jìn)行2200℃和3000℃高溫石墨化,制備了石墨烯粉體。利用拉曼光譜儀(Raman)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X-射線光電子能譜儀(XPS)等對(duì)所制備的石墨烯粉體進(jìn)行了表征分析,結(jié)果達(dá)到了理想的預(yù)期。(2)用上述制備的石墨烯粉體為原料,采用簡(jiǎn)單有效可控的電化學(xué)氧化法對(duì)石墨烯進(jìn)行處理制得了電化學(xué)氧化石墨烯(EGO)水溶液。通過(guò)采取控制單一變量法,分別探究了電壓、電解質(zhì)濃度對(duì)制備所得產(chǎn)物濃度和氧化程度的影響,得到了最優(yōu)工藝條件,接著用最優(yōu)工藝條件下制備的產(chǎn)物與改進(jìn)型Hummers法制備的氧化石墨烯(GO)水溶液進(jìn)行對(duì)比,利用拉曼光譜儀(Raman)、傅里葉紅外光譜儀(FTIR)、紫外光譜儀(UV-vis)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、原子力顯微鏡(AFM)、X-射線光電子能譜儀(XPS)、熱重分析儀(TGA)等對(duì)兩種產(chǎn)物進(jìn)行表征分析,結(jié)果表明采用電化學(xué)氧化法制備的EGO水溶液產(chǎn)物質(zhì)量高于改進(jìn)型Hummers法制備的GO水溶液。(3)采用扣式結(jié)構(gòu)組裝了鋰離子電池,研究了上述最優(yōu)條件下制備的EGO水溶液分別應(yīng)用于鋰離子電池鋁集流體緩腐蝕劑、隔膜和負(fù)極活性電極材料,進(jìn)行了電化學(xué)性能、循環(huán)伏安、交流阻抗等測(cè)試。結(jié)果表明EGO應(yīng)用于鋁集流體起到了緩解腐蝕的作用,可以延長(zhǎng)鋰離子電池的循環(huán)壽命;EGO應(yīng)用于隔膜可以降低阻抗,增加鋰離子電池的安全性能;EGO應(yīng)用于負(fù)極活性電極材料,剛開(kāi)始比容量很高,后面衰減嚴(yán)重,可能的原因是材料的比表面積比較大。
【圖文】：

元素是構(gòu)成人類生命不可缺少的元素之一，，也是自然界以各種各樣的形態(tài)存在著，構(gòu)成種類繁多的碳材料。尤這一門全新的學(xué)科，由此制造出了塑料、纖維等合成材爛的世界。碳存在眾多的同素異形體，我們最熟悉的是和碳納米管，當(dāng)然少不了現(xiàn)在的新寵兒—石墨烯，這一碳材料的隊(duì)伍不斷壯大，這也標(biāo)志著人類對(duì)碳材料的研介Graphene）是碳原子以 SP2雜化與相鄰碳原子相互連接狀結(jié)構(gòu)的二維平面材料，它只有單層原子層厚度，大約的最薄材料。石墨烯作為最基本的組成單元，它可以構(gòu)納米管，甚至不斷的堆疊形成我們最熟悉的三維石墨[6

圖 1-2（A）石墨烯對(duì)光的吸收性能；（B）石墨烯對(duì)光的吸收與層數(shù)成線性關(guān)系。Fig. 1-2(A)Light absorptive character of graphene, (B)Linear relationship of light absorption and graphenelayers1.2.3 石墨烯的熱學(xué)性質(zhì)石墨烯是優(yōu)良的熱導(dǎo)體，具有超高的熱導(dǎo)率。Balandin 等人[24]利用拉曼光譜測(cè)試（如圖 1-3 所示）得到了室溫下石墨烯的熱導(dǎo)率約為 5000 W·m-1·K-1，并且發(fā)現(xiàn)石墨烯的熱導(dǎo)率隨著石墨烯層數(shù)的增加而大幅度下降，這其中的原因主要還是由于石墨烯層與層之間低頻聲子的散射導(dǎo)致的�？傊┑膬�(yōu)良導(dǎo)熱特性將使其成為理想的熱導(dǎo)材料[25-27]。
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ127.11;TM912

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本文編號(hào)：2694712