本文關鍵詞： 化學修飾石墨烯膜 復合材料 柔性超級電容器 膜分離　出處：《清華大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：石墨烯是由碳原子組成的具有單原子厚度的二維晶體材料。結構完整的石墨烯具有優(yōu)異的力學、電學、光學和熱學性質,但是溶解性差,很難進行溶液加工。化學修飾石墨烯,包括氧化石墨烯(GO)和還原氧化石墨烯(r GO),不僅具有可加工性,而且保留了部分石墨烯的優(yōu)異性質。因而在復合材料、能量存儲、催化和傳感等領域具有廣闊的應用前景。具有二維片狀結構的化學修飾石墨烯是獨特的構筑基元,可組裝成各種功能性薄膜。本論文系統(tǒng)研究了化學修飾石墨烯膜的制備,結構控制,以及在高強度結構材料、柔性超級電容器和膜分離方面的應用。主要研究內容和結果如下:將蠶絲蛋白(SF)均勻嵌入GO片層之間制得了SF/GO復合膜。SF和GO之間的靜電和氫鍵相互作用可以增加GO片層間的粘合力,從而提高了復合膜的力學性能。加入15 wt%的SF后,SF/GO復合膜的強度達到了221.3±16.4 MPa,是純GO膜(114.1±24.1 MPa)的近兩倍。將聚乙烯吡咯烷酮(PVP)嵌入r GO片層之間,制備了具有高強度和高導電性的PVP/r GO復合膜,克服了r GO片層不可逆堆疊的問題。當PVP質量分數(shù)為45%時,PVP/r GO復合膜具有致密的結構和很好的柔韌性,強度達到了121.5±10.8 MPa,電導率為247.9 S/m�；谠搹秃夏さ娜虘B(tài)超級電容器不僅具有很好的柔性,而且體積比電容高達67.4 F/cm3(電流密度1A/g)。在100 A/g的超高電流密度下,其體積比電容仍高達51.2 F/cm3。研究了GO膜在有機溶劑中半透性產生的機理及半透性調控方法。GO膜在不同有機溶劑中的溶脹程度不同,因而具有不同的層間距。因此,可以通過選擇不同的溶劑或溶劑組合來調節(jié)GO膜的半透性。例如,當用乙醇作溶劑時芘分子可以通過GO膜,但是當用正己烷或甲苯作溶劑時,芘分子則不能透過GO膜。另外,熱處理也能調節(jié)GO膜在有機溶劑中的溶脹程度,從而調節(jié)其半透性。隨著熱處理溫度的升高,溶于乙醇中的各種分子透過GO膜的速度均會降低。通過真空抽濾法在尼龍微濾膜表面沉積了一層超薄的溶劑化r GO(S-r GO),制得了S-r GO復合納濾膜。在甲醇溶劑中,該復合膜可以截留帶負電的小尺寸溶質分子和尺寸大于3.4 nm的中性分子,溶劑通量高達~75L/m2·h·bar。該復合膜能耐受強酸、強堿和強氧化性等苛刻的化學環(huán)境。
[Abstract]:Graphene is a two-dimensional crystal material composed of carbon atoms with the thickness of a single atom. Graphene with intact structure has excellent mechanical, electrical, optical and thermal properties, but its solubility is poor and it is difficult to process in solution. Including graphene oxide (GOO) and reduced graphene oxide (GOG), not only have processability, but also retain some of the excellent properties of graphene. The chemically modified graphene with two-dimensional flake structure is a unique architectural unit and can be assembled into various functional films. In this paper, the preparation of chemically modified graphene films has been systematically studied. Structural control, as well as structural materials in high strength, Applications of flexible supercapacitors and membrane separation. The main research contents and results are as follows: the electrostatic and hydrogen bond interactions between SF/GO composite membrane. SF and go can be increased by embedding silk protein into go layer. The adhesion between go layers, The strength of SF- / go composite membrane was 221.3 鹵16.4 MPa after adding 15 wt% SF, which was nearly twice as high as that of pure go membrane (114.1 鹵24.1 MPa). PVPs were embedded between r go layers by polyvinylpyrrolidone (PVP). High strength and high conductivity PVP/r go composite membranes were prepared, which overcome the irreversibly stacking problem of r go lamellae. When the mass fraction of PVP was 45, the PVP/r / r go composite membranes had dense structure and good flexibility. The strength is 121.5 鹵10.8 MPa, the conductivity is 247.9 S / m. The all-solid-state supercapacitor based on this composite film is not only very flexible, but also has a volume ratio of 67.4 F / cm ~ 3 (current density 1 A / g 路g ~ (-1)). The specific capacitance of go membrane is still as high as 51.2 F / cm ~ (-3). The mechanism of semi-permeability of go membrane in organic solvent and its regulation method are studied. The swelling degree of go membrane in different organic solvent is different, so it has different layer spacing. The semi-permeability of go membranes can be adjusted by selecting different solvents or combinations of solvents. For example, when ethanol is used as solvent, pyrene molecules can pass through go membrane, but when n-hexane or toluene is used as solvent, pyrene molecules can not pass through go membrane. Heat treatment can also adjust the swelling degree of go film in organic solvent, thereby adjusting its semi-permeability. The velocity of various molecules dissolved in ethanol through go membrane will be decreased. A layer of ultra-thin solvated r GO(S-r goon was deposited on the surface of nylon microfiltration membrane by vacuum filtration method, and S-r go composite nanofiltration membrane was prepared. In methanol solvent, S-r go composite nanofiltration membrane was prepared. The composite membrane can intercept small size solute molecules with negative charge and neutral molecules larger than 3.4 nm, and the solvent flux is up to 75 L / m 2 路h 路h 路bar.The composite membrane can withstand harsh chemical environments such as strong acid, strong alkali and strong oxidation.
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11;TB383.2

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