本文關(guān)鍵詞：各向異性石墨烯氣凝膠的可控制備及性能研究

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【摘要】：石墨烯氣凝膠,由石墨烯片層經(jīng)自組裝而來的具有三維連續(xù)多孔網(wǎng)絡(luò)的宏觀材料,不僅具有傳統(tǒng)氣凝膠材料的低密度、高比表面積、高孔隙率等特點,還具有石墨烯自身獨特的理化性質(zhì):優(yōu)異的機械性能和高導(dǎo)電/熱性能等,在能源儲存、催化及傳感器等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。本論文闡述了石墨烯氣凝膠中石墨烯片層及多孔結(jié)構(gòu)的有序調(diào)控、各向異性石墨烯氣凝膠的可控制備及其性能與應(yīng)用的研究。以Hummers方法制備得到的氧化石墨烯液晶為前驅(qū)體,提出并通過“固態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)”的溶膠-凝膠機理,實現(xiàn)了石墨烯的三維有序液固相轉(zhuǎn)變,進一步合成了一系列結(jié)構(gòu)可控的各向異性石墨烯氣凝膠,并對這些氣凝膠的理化及應(yīng)用性能進行了詳細分析。具體內(nèi)容包括:(1)、在氧化石墨烯液晶中,以氣相擴散方式引入氫鍵促進劑,“原位凍結(jié)”液晶中的動態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)氧化石墨烯液晶的均勻溶膠-凝膠化,完成氧化石墨烯液晶與三維宏觀體材料的液固轉(zhuǎn)變,成功調(diào)控氧化石墨烯片層在水/氣凝膠中的有序排列,并獲得具有整齊三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯氣凝膠,提出“固態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)”凝膠機理,利用紅外光譜、POM、氮氣吸脫附、SEM、TEM、XRD、Raman及單向壓縮等實驗研究了氧化石墨烯片層及其三維多孔結(jié)構(gòu)的有序液-固相轉(zhuǎn)變,直接或間接的證明了氧化石墨烯新型的凝膠機理及(氧化)石墨烯片層在水/氣凝膠中的有序排列。(2)、在氧化石墨烯液晶均勻凝膠的基礎(chǔ)上,我們引入“原位還原”的策略,設(shè)計并制備得到具有不同外在形狀及規(guī)整三維多孔網(wǎng)絡(luò)(規(guī)整的孔壁/孔道)的各向異性石墨烯氣凝膠,實現(xiàn)對石墨烯氣凝膠中片層與孔結(jié)構(gòu)的有序調(diào)控,極大的優(yōu)化了石墨烯氣凝膠的性質(zhì)。通過SEM、TEM、XRD、Raman等研究了各向異性石墨烯氣凝膠的三維有序多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(規(guī)整的孔壁/孔道)及石墨烯片層的有序排列。通過定向壓縮分析、激光熱導(dǎo)儀及四探針測試,研究了該石墨烯氣凝膠性能(機械形變行為、熱/電導(dǎo)率)的各向異性,并提出相應(yīng)的形變、熱傳導(dǎo)模型,明晰各向異性石墨烯三維多孔結(jié)構(gòu)的性能。其中,軸向方向的熱導(dǎo)率高達1.9 W/mK,為徑向熱導(dǎo)率的8-11倍;軸向電導(dǎo)率高達345 S/m,為徑向電導(dǎo)率的3-5倍。此外,獲得石墨烯氣凝膠還表現(xiàn)出快速電-熱、光-熱響應(yīng)效應(yīng),輔以其規(guī)整有序的微觀結(jié)構(gòu),在多功能分子加熱器方面應(yīng)具有良好的應(yīng)用前景。(3)、以各向異性石墨烯氣凝膠為支架材料,經(jīng)過浸漬填充獲得性能優(yōu)異的相變復(fù)合材料。該相變復(fù)合材料具有各向異性的電/熱導(dǎo)率、高的相變焓、高的取向結(jié)晶度及良好的循環(huán)使用穩(wěn)定性與形狀穩(wěn)定性;可通過電驅(qū)動或光驅(qū)動方式進行熱能轉(zhuǎn)換與存儲。利用SEM與XRD分析證明相變復(fù)合材料具有規(guī)整有序的石墨烯氣凝膠骨骼網(wǎng)絡(luò)及高度取向結(jié)晶的石蠟(一部分包覆在石墨烯氣凝膠孔壁,一部分以片晶形式嵌立在孔道中);通過LFA、TG、DSC分析了石墨烯氣凝膠相變復(fù)合材料的熱導(dǎo)率、相變行為、填充量及相變焓與循環(huán)使用穩(wěn)定性等,間接反映出相變復(fù)合材料具有高的取向結(jié)晶度,進而使得相變復(fù)合材料保持了石蠟的高相變焓;通過熱臺加熱對比實驗證明其具有良好的形狀穩(wěn)定性。針對支架材料的各向異性,我們設(shè)計并加工制備得到不同的能源系統(tǒng)以適合不同的熱能存儲方式:利用規(guī)整孔壁/孔道內(nèi)良好的電/熱傳輸結(jié)構(gòu)設(shè)計出圓柱形能源器件,在實現(xiàn)高效、快速熱能存儲同時,可有效避免橫向熱量損失;利用平坦的孔壁結(jié)構(gòu)充分展現(xiàn)出石墨烯二維平面的優(yōu)勢,設(shè)計出矩形能源器件,提供足夠的光接收面積,實現(xiàn)光-熱高效轉(zhuǎn)換與存儲。
【關(guān)鍵詞】：石墨烯 各向異性 氣凝膠 液晶 相變材料
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11;TQ427.26
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 緒論12-29
• 1.1 石墨烯概述12-15
• 1.1.1 石墨烯的結(jié)構(gòu)12-13
• 1.1.2 石墨烯的性質(zhì)13-14
• 1.1.3 石墨烯的制備14-15
• 1.2 氧化石墨烯15-18
• 1.2.1 氧化石墨烯的制備16
• 1.2.2 氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)16-17
• 1.2.3 氧化石墨烯的物理性質(zhì)17
• 1.2.4 氧化石墨烯的化學(xué)性質(zhì)17-18
• 1.3 氧化石墨烯液晶18-21
• 1.3.1 氧化石墨烯液晶的發(fā)現(xiàn)18-19
• 1.3.2 氧化石墨烯液晶的宏觀組裝19-21
• 1.4 石墨烯氣凝膠21-26
• 1.4.1 氧化石墨烯氣凝膠22-23
• 1.4.2 還原氧化石墨烯氣凝膠23-26
• 1.5 選題意義26-29
• 第二章 氧化石墨烯氣凝膠的結(jié)構(gòu)有序化設(shè)計29-47
• 2.1 引言29-30
• 2.2 實驗部分30-33
• 2.2.1 實驗藥品30
• 2.2.2 實驗方法30-31
• 2.2.3 表征方法31-33
• 2.3 結(jié)果與討論33-45
• 2.3.1 氧化石墨烯液晶的凝膠化分析33-39
• 2.3.2 氧化石墨烯氣凝膠基本表征39-43
• 2.3.3 性能測試43-45
• 2.4 本章小結(jié)45-47
• 第三章 各向異性石墨烯氣凝膠的制備及性能研究47-64
• 3.1 引言47
• 3.2 實驗部分47-48
• 3.2.1 實驗藥品47
• 3.2.2 實驗方法47-48
• 3.2.3 表征方法48
• 3.3 結(jié)果與討論48-60
• 3.3.1 各向異性石墨烯氣凝膠的合成分析48-51
• 3.3.2 各向異性石墨烯氣凝膠的基本表征51-57
• 3.3.3 各向異性石墨烯氣凝膠的性能測試57-60
• 3.4 各向異性分子加熱器的應(yīng)用60-63
• 3.4.1 電-熱響應(yīng)61-62
• 3.4.2 光-熱響應(yīng)62-63
• 3.5 本章小結(jié)63-64
• 第四章 光電雙驅(qū)動氣凝膠相變復(fù)合材料的制備及性能研究64-81
• 4.1 引言64
• 4.2 實驗部分64-66
• 4.2.1 實驗藥品64-65
• 4.2.2 實驗方法65
• 4.2.3 表征方法65-66
• 4.3 結(jié)果與討論66-76
• 4.3.1 多功能相變復(fù)合材料合成分析66
• 4.3.2 基本表征66-71
• 4.3.3 性能測試71-76
• 4.4 相變儲能76-79
• 4.4.1 電-熱轉(zhuǎn)換76-78
• 4.4.2 光-熱轉(zhuǎn)換78-79
• 4.5 結(jié)論79-81
• 第五章 結(jié)論與展望81-84
• 5.1 結(jié)論81-83
• 5.2 展望83-84
• 參考文獻84-93
• 作者在攻讀碩士學(xué)位期間公開發(fā)表的論文93-94
• 致謝94

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本文編號：716155