本文關(guān)鍵詞：三維石墨烯材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控及其性能研究

  更多相關(guān)文章： 石墨烯 三維結(jié)構(gòu) 氣凝膠 回彈性 吸油 重復(fù)利用

【摘要】：近些年,石墨烯作為碳材料的一種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)因其本身具有很好的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能越來越得到人們更多的關(guān)注。石墨烯在很多領(lǐng)域包括電子、導(dǎo)電納米復(fù)合材料、薄膜、電磁屏蔽和傳感器等都有著很廣泛的應(yīng)用。而石墨烯片層組裝成三維超輕的多孔材料之后能夠更能應(yīng)用在催化劑載體、能源儲(chǔ)存和環(huán)境保護(hù)等方面有著更多的應(yīng)用前景。把二維石墨烯材料組裝成三維石墨烯氣凝膠材料不僅避免了石墨烯片層之間的堆積,還能保持石墨烯本身的高導(dǎo)電率和較大的比表面積,更能使其本身結(jié)構(gòu)有著較低的密度和較高的孔隙率。過去許多工作致力于制備各種各樣的三維石墨烯材料,制備方法主要包括自組裝、模板法和化學(xué)沉積法。在這些方法中,用氧化石墨作為前驅(qū)體來自組裝構(gòu)建三維骨架的石墨烯水凝膠是最常用的方法。利用水熱法或者化學(xué)還原法來使氧化石墨轉(zhuǎn)化為石墨烯,常用的化學(xué)還原劑有亞硫酸氫鈉、硫化鈉、水合肼、氫碘酸、氫醌和維生素C等。然后通過冷凍干燥或超臨界干燥的方法得到石墨烯氣凝膠。在這個(gè)過程中,改變冷凍條件便可制備不同性能和結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠。本論文通過比較不同石墨烯制備方法的優(yōu)缺點(diǎn),用定向冷凍的方法制備了具有高度定向結(jié)構(gòu)的超輕石墨烯氣凝膠材料。具體研究?jī)?nèi)容如下：1.用Hummers制備了氧化程度較高的氧化石墨,通過XRD、FTIR、 XPS等表征手段證實(shí)在氧化石墨片層上有著許多豐富的含氧官能團(tuán),這為下面進(jìn)一步制備石墨烯氣凝膠提供了很好的前驅(qū)體。利用維生素C作為還原劑、在70。C的溫度中反應(yīng)4小時(shí),便可得到石墨烯水凝膠。之后利用定向冷凍和冷凍干燥的方法制備了石墨烯氣凝膠材料。通過掃描電鏡可以看到所得到的氣凝膠中定向排列的石墨烯壁孔。通過XRD、 FTIR、XPS等表征手段可以看出氣凝膠中氧化石墨的含氧官能團(tuán)大量脫落而得到的石墨烯片層。2.定向冷凍方法制備的石墨烯氣凝膠有著很好的力學(xué)性能,明顯比冰箱冷凍所得到的氣凝膠力學(xué)強(qiáng)度要高,而且密度為6.1 mg/cm3的AGA的壓縮強(qiáng)度能達(dá)到14.1 kPa,這比文獻(xiàn)中所報(bào)道的其他的GA(密度相當(dāng)時(shí))的強(qiáng)度都高。進(jìn)一步說明定向冷凍方法使得石墨烯壁孔定向排列有助于其力學(xué)強(qiáng)度的增加。另外得到的石墨烯氣凝膠還具有很好的壓縮回彈性,經(jīng)過10次壓縮應(yīng)變50%的循環(huán)之后,仍能回到95%以上。由于所得到的石墨烯氣凝膠具有定向排列的孔壁,其在軸向方向和垂直于軸向方向上都有著不錯(cuò)的壓縮回彈性,而且在空氣中和有機(jī)溶劑中都有著很高的回彈性。3.由于石墨烯本身導(dǎo)電,制得的石墨烯氣凝膠的導(dǎo)電性隨著壓縮程度的變化可以使其在壓力傳感器和石墨烯壓敏系統(tǒng)方面有著不錯(cuò)的應(yīng)用前景。由于所制備的氣凝膠具有多孔結(jié)構(gòu)且本身具有疏水親油性,可以選擇性吸收水中的油。而在經(jīng)過吸油-燃燒、吸油-蒸發(fā)、吸油-壓縮循環(huán)之后,石墨烯氣凝膠仍能保持較好的重復(fù)利用性。這可以使石墨烯氣凝膠應(yīng)用在海上處理石油泄漏等方面。
【關(guān)鍵詞】：石墨烯 三維結(jié)構(gòu) 氣凝膠 回彈性 吸油 重復(fù)利用
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ127.11
【目錄】：

• 學(xué)位論數(shù)據(jù)集3-4
• 摘要4-7
• ABSTRACT7-16
• 符號(hào)說明16-17
• 第一章 緒論17-33
• 1.1 石墨烯及其概述17-18
• 1.2 三維石墨烯材料的概述18
• 1.3 三維石墨烯材料的制備方法18-23
• 1.3.1 由碳源直接合成19-20
• 1.3.1.1 模板CVD生長(zhǎng)法19-20
• 1.3.1.2 無模板法20
• 1.3.2 GO自組裝20-23
• 1.3.2.1 化學(xué)還原、電化學(xué)還原和水熱法自組裝GO21
• 1.3.2.2 冷凍干燥21-22
• 1.3.2.3 在導(dǎo)電基體上進(jìn)行GO的自組裝22
• 1.3.2.4 模板輔助自組裝22
• 1.3.2.5 用交聯(lián)劑來自組裝22-23
• 1.4 三維石墨烯材料的性能23-26
• 1.5 三維石墨烯材料的應(yīng)用26-31
• 1.5.1 催化劑26-27
• 1.5.1.1 3DGNs作為無金屬催化劑26
• 1.5.1.2 摻雜的3DGNs作為非金屬催化劑26-27
• 1.5.1.3 3DGNs和雜原子摻雜的3DGNs作為催化劑載體27
• 1.5.2 吸收劑27-28
• 1.5.2.1 有機(jī)污染物27-28
• 1.5.2.2 金屬離子28
• 1.5.3 傳感器28-29
• 1.5.4 生物應(yīng)用29
• 1.5.5 透明導(dǎo)電電極29-30
• 1.5.6 能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)化30-31
• 1.5.6.1 燃料電池30
• 1.5.6.2 電池30
• 1.5.6.3 超級(jí)電容器30-31
• 1.5.6.4 太陽(yáng)能電池31
• 1.6 三維石墨烯材料的展望31-33
• 第二章 實(shí)驗(yàn)原料、相關(guān)儀器及方法33-41
• 2.1 實(shí)驗(yàn)原料及相關(guān)儀器33-34
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)原料33
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)主要儀器33-34
• 2.1.3 實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試儀器34
• 2.2 實(shí)驗(yàn)方法34-38
• 2.2.1 氧化石墨的制備方法34-35
• 2.2.1.1 Brodie法34
• 2.2.1.2 Standenmaier法34-35
• 2.2.1.3 Hummers法35
• 2.2.2 用Hummers法制備氧化石墨35-36
• 2.2.3 還原氧化石墨得到水凝膠36-37
• 2.2.4 定向冷凍的闡述37
• 2.2.4.1 定向冷凍法制備具有定向有序微孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠材料37
• 2.2.4.2 定向冷凍的原理37
• 2.2.5 冷凍干燥得到氣凝膠AGA37-38
• 2.2.5.1 冷凍干燥原理37-38
• 2.2.5.2 冷凍干燥得到AGA38
• 2.3 試樣的測(cè)試與表征38-41
• 2.3.1 X射線衍射(XRD)分析38
• 2.3.2 X射線光電子能譜(XPS或ESCA)分析38
• 2.3.3 紅外光譜(FT-IR)分析38-39
• 2.3.4 掃描電子顯微鏡(SEM)39
• 2.3.5 萬(wàn)能材料測(cè)試機(jī)39
• 2.3.6 拉曼光譜(RAMAN)分析39
• 2.3.7 萬(wàn)用表39-41
• 第三章 石墨烯氣凝膠的制備與表征41-49
• 3.1 AGA的制備過程41
• 3.2 AGA的形貌分析41-44
• 3.2.1 外形和密度42
• 3.2.2 定向冷凍42-43
• 3.2.3 SEM43-44
• 3.3 AGA還原程度表征44-49
• 3.3.1 氧化石墨(GO)和石墨烯氣凝膠(GA)的XRD圖44-45
• 3.3.2 氧化石墨烯(GO)和石墨烯氣凝膠(GA)的FT-IR圖45-46
• 3.3.3 氧化石墨烯(GO)和石墨烯氣凝膠(GA)的XPS圖46-49
• 第四章 石墨烯氣凝膠的性質(zhì)與應(yīng)用49-65
• 4.1 AGA的力學(xué)性能49-55
• 4.1.1 AGA在空氣中的壓縮性能49-50
• 4.1.2 非定向冷凍方法制備的GA的力學(xué)性能50-52
• 4.1.3 AGA不同方向上的力學(xué)壓縮比較52-53
• 4.1.4 不同密度的AGA的力學(xué)強(qiáng)度的比較53-54
• 4.1.5 AGA在有機(jī)溶劑中的力學(xué)性能54-55
• 4.2 AGA的電學(xué)性能55-57
• 4.3 AGA的吸油性能57-59
• 4.4 AGA的重復(fù)利用59-65
• 4.4.1 吸油-灼燒重復(fù)59-62
• 4.4.2 吸油-蒸發(fā)重復(fù)62-63
• 4.4.3 吸油-壓縮重復(fù)63-65
• 第五章 結(jié)論65-67
• 參考文獻(xiàn)67-75
• 致謝75-77
• 研究成果和發(fā)表的學(xué)術(shù)論文77-79
• 作者和導(dǎo)師簡(jiǎn)介79-80
• 碩士研究生學(xué)位論文答辯委員會(huì)決議書80-81

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 盛凱旋;徐宇曦;李春;石高全;;化學(xué)還原氧化石墨烯制備高性能石墨烯自組裝水凝膠(英文)[J];新型炭材料;2011年01期

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本文編號(hào)：771837