本文關鍵詞：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,由石墨烯片層經自組裝而來的具有三維連續(xù)多孔網(wǎng)絡的宏觀材料,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:優(yōu)異的機械性能和高導電/熱性能等,在能源儲存、催化及傳感器等領域有巨大的應用前景。本論文闡述了石墨烯氣凝膠中石墨烯片層及多孔結構的有序調控、各向異性石墨烯氣凝膠的可控制備及其性能與應用的研究。以Hummers方法制備得到的氧化石墨烯液晶為前驅體,提出并通過“固態(tài)氫鍵網(wǎng)絡”的溶膠-凝膠機理,實現(xiàn)了石墨烯的三維有序液固相轉變,進一步合成了一系列結構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用性能進行了詳細分析。具體內容包括:(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”液晶中的動態(tài)氫鍵網(wǎng)絡,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變,成功調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)絡結構的氧化石墨烯氣凝膠,提出“固態(tài)氫鍵網(wǎng)絡”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構的有序液-固相轉變,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上,我們引入“原位還原”的策略,設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(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構的有序調控,極大的優(yōu)化了石墨烯氣凝膠的性質。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)絡結構(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/電導率)的各向異性,并提出相應的形變、熱傳導模型,明晰各向異性石墨烯三維多孔結構的性能。其中,軸向方向的熱導率高達1.9 W/mK,為徑向熱導率的8-11倍;軸向電導率高達345 S/m,為徑向電導率的3-5倍。此外,獲得石墨烯氣凝膠還表現(xiàn)出快速電-熱、光-熱響應效應,輔以其規(guī)整有序的微觀結構,在多功能分子加熱器方面應具有良好的應用前景。(3)、以各向異性石墨烯氣凝膠為支架材料,經過浸漬填充獲得性能優(yōu)異的相變復合材料。該相變復合材料具有各向異性的電/熱導率、高的相變焓、高的取向結晶度及良好的循環(huán)使用穩(wěn)定性與形狀穩(wěn)定性;可通過電驅動或光驅動方式進行熱能轉換與存儲。利用SEM與XRD分析證明相變復合材料具有規(guī)整有序的石墨烯氣凝膠骨骼網(wǎng)絡及高度取向結晶的石蠟(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合材料的熱導率、相變行為、填充量及相變焓與循環(huán)使用穩(wěn)定性等,間接反映出相變復合材料具有高的取向結晶度,進而使得相變復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/孔道內良好的電/熱傳輸結構設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;利用平坦的孔壁結構充分展現(xiàn)出石墨烯二維平面的優(yōu)勢,設計出矩形能源器件,提供足夠的光接收面積,實現(xiàn)光-熱高效轉換與存儲。
【關鍵詞】：石墨烯 各向異性 氣凝膠 液晶 相變材料
【學位授予單位】：上海大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：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 石墨烯的結構12-13
• 1.1.2 石墨烯的性質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 氧化石墨烯的結構16-17
• 1.2.3 氧化石墨烯的物理性質17
• 1.2.4 氧化石墨烯的化學性質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構有序化設計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用60-63
• 3.4.1 電-熱響應61-62
• 3.4.2 光-熱響應62-63
• 3.5 本章小結63-64
• 第四章 光電雙驅動氣凝膠相變復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 結果與討論66-76
• 4.3.1 多功能相變復合材料合成分析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-熱轉換76-78
• 4.4.2 光-熱轉換78-79
• 4.5 結論79-81
• 第五章 結論與展望81-84
• 5.1 結論81-83
• 5.2 展望83-84
• 參考文獻84-93
• 作者在攻讀碩士學位期間公開發(fā)表的論文93-94
• 致謝94

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