本文選題：煤 + 石墨烯��； 參考：《西安科技大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：石墨烯作為一種新型二維碳材料,具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)以及熱學(xué)性質(zhì),在儲能、催化、傳感器等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景,引起了世界的廣泛關(guān)注。廉價、可控制備石墨烯以及石墨烯材料的功能化修飾是影響石墨烯材料發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵。煤炭是自然界富存的以多環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)單元為主的含碳有機(jī)物,在新型碳材料制備中扮演著重要角色。本論文以煤炭為原料,針對煤基石墨烯的可控制備及其在光催化和電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究。在石墨烯制備方面重點(diǎn)研究了煤結(jié)構(gòu)對煤石墨化過程的影響,探討了影響煤基石墨烯結(jié)構(gòu)和性能的主要因素;在應(yīng)用方面重點(diǎn)考察了煤基氧化石墨烯復(fù)合材料在CO_2光催化過程中的催化特性以及煤基石墨烯復(fù)合材料的電化學(xué)性能。相關(guān)研究結(jié)果對于開拓煤炭材料化利用的新途徑,闡明影響煤基石墨烯結(jié)構(gòu)和性能的因素具有重要的理論和應(yīng)用價值。首先,在煤基石墨烯制備方面,論文探討了煤基石墨和煤基石墨烯制備的方法,以及影響石墨烯光催化特性和電化學(xué)性能的關(guān)鍵因素。煤經(jīng)過不同石墨化工藝進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)變之后,進(jìn)一步采用氧化法和低溫等離子體還原技術(shù)實(shí)現(xiàn)了煤基石墨烯的制備。研究結(jié)果表明:在2500℃及1500℃條件下,催化石墨化均可以實(shí)現(xiàn)煤有機(jī)大分子結(jié)構(gòu)的有序化調(diào)變,所得煤基石墨的石墨化度均可達(dá)到65%以上;當(dāng)煤中加入氯化鐵/硼酸復(fù)合催化劑,經(jīng)過1500℃熱處理后,所得煤基石墨的石墨化度可以提高到71.63%。此外,不同變質(zhì)程度的煤經(jīng)催化石墨化作用后,其產(chǎn)物的石墨化程度也有差異,無煙煤因其有機(jī)大分子基本結(jié)構(gòu)單元中芳香層片更大,因此更易石墨化。催化石墨化機(jī)理表現(xiàn)為硼元素削弱煤炭有機(jī)大分子結(jié)構(gòu)中芳香層片之間橋鍵的交聯(lián)作用,鐵元素與分解得到的芳香層片相結(jié)合形成相應(yīng)的碳化物,當(dāng)催化劑中無序排列的炭達(dá)到飽和時,部分炭以低能級的石墨化碳結(jié)晶形態(tài)沉積下來形成煤基石墨。其次,研究了ZnO/煤基氧化石墨烯復(fù)合材料在CO_2光催化還原過程中的應(yīng)用。本研究以煤基氧化石墨烯為基材,通過共沉淀法制備了ZnO/煤基氧化石墨烯復(fù)合材料,考察了煤基氧化石墨的結(jié)構(gòu)及ZnO負(fù)載量對復(fù)合材料光催化CO_2還原過程的影響。研究結(jié)果表明:不同負(fù)載量的ZnO/煤基氧化石墨烯復(fù)合材料對CO_2的光催化還原均具有一定光催化作用,其在可見光區(qū)的催化活性和選擇性明顯優(yōu)于紫外光區(qū),煤基氧化石墨烯結(jié)構(gòu)及特性是影響ZnO/煤基氧化石墨烯復(fù)合材料光催化活性和選擇性的關(guān)鍵因素;在可見光作用下,ZnO/煤基氧化石墨烯復(fù)合材料的光催化活性表現(xiàn)為ZnO/KCGO復(fù)合材料ZnO/TXGO復(fù)合材料ZnO/JCGO復(fù)合材料(復(fù)合比為7:3,添加量為1g/L),并且對甲酸有較高的選擇性,產(chǎn)物中甲酸產(chǎn)率與甲醇產(chǎn)率之比最高可達(dá)35.36。這主要是由于煤基氧化石墨烯的加入,其自身較大的間隙能,增強(qiáng)了該復(fù)合材料在可見光區(qū)的吸收能力,同時有助于促進(jìn)光生電子的還原能力。最后,本論文研究了煤基石墨烯及MnO_2/煤基石墨烯復(fù)合材料在超級電容器電極材料中的應(yīng)用,分析了煤基石墨烯片層大小和結(jié)構(gòu)缺陷對煤基石墨烯及其復(fù)合材料電化學(xué)性能的影響。當(dāng)煤基石墨烯材料用作超級電容器正極材料時,其首次充放電比電容量的高低順序?yàn)?KCGTXGJCG;當(dāng)MnO_2/煤基石墨烯復(fù)合材料用作超級電容器正極材料時,首次充放電的比電容量值相較于煤基石墨烯有了很大提高,這是因?yàn)槭┢瑢咏Y(jié)構(gòu)與線性二氧化錳復(fù)合時產(chǎn)生了強(qiáng)烈的協(xié)同效應(yīng),使復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)電性能;煤基石墨烯的結(jié)構(gòu)不同,其與二氧化錳協(xié)同效應(yīng)的大小也有差異,其中,MnO_2/TXG復(fù)合材料的電化學(xué)性能提高最明顯,首次充放電的比電容量可以達(dá)到159.05 F/g,是TXG比電容量的3倍多。這主要?dú)w因于TXG具有更大的石墨烯層片結(jié)構(gòu),使二氧化錳納米棒更易均勻分散在煤基石墨烯層片間,從而形成通暢的電子傳輸通道,提高了復(fù)合材料導(dǎo)電性能。
[Abstract]:Graphene, as a new type of new two-dimensional carbon material, has unique structural characteristics and excellent electrical, mechanical, optical and thermal properties. It has a good application prospect in the fields of energy storage, catalysis, sensor and so on. It has aroused wide attention in the world. The key to the development and application of alkene materials. Coal is a carbon containing organic substance, which is rich in the structure unit of polycyclic aromatic hydrocarbons in nature. It plays an important role in the preparation of new carbon materials. In this paper, the controllable preparation of coal and its application in the field of photocatalysis and electrochemistry are studied with coal as the raw material. In Shi Moxi, the paper has been studied in this paper. The effect of coal structure on the process of coal graphitization is studied, and the main factors affecting the structure and properties of the coal cornerstone are discussed. In the application, the catalytic properties of the coal based graphene oxide composite in the CO_2 photocatalytic process and the electrochemical performance of the coal based graphene composite are investigated. It has important theoretical and application value for developing new ways of coal material utilization and clarifying the factors affecting the structure and properties of coal cornerstone's graphene. First, the preparation of coal based graphite and coal based graphene, as well as the key to the photocatalytic and electrochemical properties of the cornerstone are discussed in the preparation of the cornerstone alkene. Factors. After structural modification of coal through different graphitization processes, the preparation of coal cornerstone methenes is further prepared by oxidation and low temperature plasma reduction technology. The results show that under the conditions of 2500 and 1500 C, catalytic graphitization can realize the orderly modulation of coal organic large sub structure and the obtained coal based graphite stone. The graphitization degree of the coal based graphite can be increased to 71.63%. after the addition of iron chloride / boric acid composite catalyst and heat treatment at 1500 C. The degree of graphitization of the products with different metamorphic degrees is also different after the catalytic graphitization, and the anthracite coal is based on the organic macromolecules. The mechanism of the catalytic graphitization is that boron elements weaken the crosslinking of the bridge bonds between the aromatic layers in the organic large molecular structure of coal, and the iron elements are combined with the decomposed aromatic layers to form the corresponding carbides. When the disordered charcoal is saturated, some carbon is obtained. Coal based graphite was deposited at low energy crystalline carbon crystalline form. Secondly, the application of ZnO/ coal based graphene oxide composite in the process of CO_2 photocatalytic reduction was studied. The ZnO/ coal based graphite oxide composite was prepared by co precipitation method. The coal based graphite oxide composite was prepared by co precipitation method. The coal based graphite oxide graphite was investigated. The effect of the structure and ZnO load on the photocatalytic CO_2 reduction process of the composite material. The results show that the ZnO/ coal based graphite oxide composite with different loads has a certain photocatalytic effect on the photocatalytic reduction of CO_2, and its catalytic activity and selectivity in the visible region are obviously superior to the UV light zone, and the coal based graphite oxide fines The structure and characteristics are the key factors affecting the photocatalytic activity and selectivity of the ZnO/ based graphite oxide composite. The photocatalytic activity of the ZnO/ coal based graphene oxide composite material under the visible light is ZnO/KCGO composite material ZnO/TXGO composite material ZnO/JCGO composite (composite ratio 7:3, adding amount 1g/L) and formic acid With high selectivity, the ratio of formic acid yield to methanol yield is up to 35.36., which is mainly due to the addition of coal based graphene oxide, its own larger gap energy, enhanced absorptive capacity of the composite in visible light area, and help to promote the reduction of photoelectron. Finally, this paper has studied the cornerstone of coal. The application of alkene and MnO_2/ cornerstone composite material in supercapacitor electrode materials, the influence of the size and structural defects of the cornerstone lamellar layer on the electrochemical performance of the coal cornerstone and its composites was analyzed. When the coal cornerstone material was used as the cathode material for the supercapacitor, the initial charge discharge specific capacity of the material was high and low. The order is: KCGTXGJCG; when the MnO_2/ cornerstone lamene composite is used as a supercapacitor cathode material, the specific capacity of the first charge and discharge is greatly improved than that of the cornerstone ink. This is due to the strong synergistic effect of the composition of the graphene lamellar structure with the linear manganese dioxide, which makes the composite exhibit excellent guidance. Electrical properties, the structure of the coal based alkene is different, and the size of the synergistic effect of manganese dioxide is also different. Among them, the electrochemical performance of MnO_2/TXG composites is increased most obviously. The specific capacity of the first charge discharge can reach 159.05 F/g, which is more than 3 times more than the capacitance of TXG. This is mainly due to the larger graphene layer structure of TXG. MnO2 nanorods are more easily dispersed among the coal base graphene lamellae, thus forming a smooth electron transport channel and improving the electrical conductivity of the composites.
【學(xué)位授予單位】：西安科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ127.11

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本文編號：2006907