本文選題：石墨烯 + 功能填料��； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：石墨烯海綿是基于石墨烯納米片構(gòu)成的三維多孔材料,它具有超輕密度、高孔隙率、高比表面積等特點(diǎn),因此在石墨烯材料中備受關(guān)注。大量的研究表明石墨烯海綿在能源、環(huán)境、電子等領(lǐng)域中有著良好的應(yīng)用價(jià)值。此外,三維石墨烯海綿比二維石墨烯納米片更容易操控,是將石墨烯的優(yōu)良性能應(yīng)用在實(shí)際領(lǐng)域中的一種有效途徑。本論文主要研究三維石墨烯海綿的不同制備方法及其帶來的結(jié)構(gòu)變化對(duì)海綿綜合性能的影響。通過引入不同的功能填料后,根據(jù)不同的制備方法能夠得到不同結(jié)構(gòu)的三維石墨烯海綿,而這些結(jié)構(gòu)以及功能填料的種類賦予復(fù)合海綿不同的性能,所制備的海綿不僅都能夠作為超級(jí)電容器電極,還能夠根據(jù)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)應(yīng)用在其他領(lǐng)域中,因而具備多功能性的特點(diǎn)。首先對(duì)結(jié)構(gòu)、性能與石墨烯最相近的石墨烯納米帶作為功能填料進(jìn)行了研究。我們將其與石墨烯片復(fù)合,利用直接冷凍干燥的方法制備成高孔隙率、超低密度、具有優(yōu)異壓縮性和彈性的復(fù)合海綿。該復(fù)合海綿由石墨烯復(fù)合納米片相互搭接構(gòu)成,在海綿內(nèi)部結(jié)構(gòu)中,由于范德華力及碳碳雙鍵的相互作用,石墨烯納米帶緊緊的吸附在石墨烯片表面組成了該復(fù)合海綿的孔壁,從而提高了海綿的力學(xué)強(qiáng)度。將復(fù)合海綿作為超級(jí)電容器的電極,其比電容最高能夠達(dá)到256 F g~(-1),引入導(dǎo)電聚合物聚吡咯后形成的石墨烯納米帶-石墨烯-聚吡咯三元體系復(fù)合海綿的比電容可以進(jìn)一步提高至537 F g~(-1)。大孔結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的性能使得復(fù)合海綿還具有較高的吸附有機(jī)溶劑及油劑性能(吸附量從100到350 g g~(-1)),可以作為水處理材料�；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果,為了一進(jìn)步提高復(fù)合海綿的力學(xué)強(qiáng)度,我們?cè)O(shè)計(jì)了另一種通過“浸漬-還原”法制備的以碳化纖維作為三維骨架的石墨烯海綿。該復(fù)合海綿以纖維素組成的三維材料(煙頭)作為模板,通過浸泡在氧化石墨烯溶液中,隨后高溫還原的方法制備得到。該復(fù)合海綿具有超輕密度(ρ=7.6 mg cm-3)的同時(shí)卻具有較高的力學(xué)強(qiáng)度,其最大壓縮強(qiáng)度高達(dá)0.07 MPa,且能夠承受自身質(zhì)量4000倍的重物。海綿內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由石墨烯納米片包裹的碳化纖維相互交織纏繞,進(jìn)而組成了三維多孔結(jié)構(gòu),將其組裝成超級(jí)電容器后,比電容為28.9 F g~(-1);該海綿獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得其在電磁波吸收領(lǐng)域中具有出色的表現(xiàn):其有效電磁波反射損耗(~(-1)0 d B)帶寬能夠達(dá)到4.1 GHz,最高反射損耗值高達(dá)-30.53 d B;引入導(dǎo)電聚合物聚吡咯以后,三元體系的復(fù)合海綿壓縮強(qiáng)度進(jìn)一步提高到0.09MPa,電磁波反射損耗值提升至-45.12 d B。改變制備的方法,通過引入尿素與纖維素在高溫條件下發(fā)生反應(yīng),能夠制備出氮摻雜石墨烯“接枝”在碳化纖維上的復(fù)合海綿。該復(fù)合海綿是由氮原子摻雜的石墨烯“生長”在碳化纖維上,再通過碳化纖維相互纏繞構(gòu)成了三維多孔結(jié)構(gòu)。由于雜原子的引入,該碳化纖維增強(qiáng)的石墨烯復(fù)合海綿電容性能得到提高,將其組裝成超級(jí)電容器后,比電容值能夠達(dá)到107.5 F/g~(-1)。此外,這種“接枝”的結(jié)構(gòu)也使得該碳化纖維增強(qiáng)復(fù)合海綿具有優(yōu)異的彈性性能,壓縮形變達(dá)到60%時(shí)仍能完全彈性恢復(fù);而多孔結(jié)構(gòu)、親油疏水的特點(diǎn)使其成為一種理想的吸附材料。除了引入碳材料以外,我們還提出了通過“電化學(xué)沉積-浸漬-還原”法制備一種尚未見報(bào)道的、以三維聚吡咯作為骨架的石墨烯復(fù)合海綿。首先將鎳泡沫作為模板,通過電化學(xué)沉積的方法將聚吡咯沉積在鎳泡沫上,將基底刻蝕掉得到柔性的三維聚吡咯骨架。該骨架獨(dú)特的結(jié)構(gòu),使其除了能夠作為制備石墨烯復(fù)合海綿的基底,還能夠直接作為壓力傳感器電極、超級(jí)電容器電極等;通過“浸漬-還原”的方法,將石墨烯涂覆在該骨架的表面,我們制備了區(qū)別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的新型聚吡咯增強(qiáng)石墨烯復(fù)合海綿,該復(fù)合海綿的拉伸強(qiáng)度為200 k Pa,將其作為壓力傳感器電極進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果顯示器件具有良好的電信號(hào)響應(yīng);此外,該復(fù)合海綿還是一種優(yōu)異的超級(jí)電容器電極材料,通過三電極體系測(cè)試可知單電極比電容高達(dá)702.9 F g~(-1),組裝成器件后,相應(yīng)的超級(jí)電容器比電容值高達(dá)357.5 F g~(-1),且具有良好的循環(huán)使用性能,經(jīng)過5000次充放電循環(huán)后,電容器的比電容保持率仍達(dá)到82%。
[Abstract]:Graphene sponge is a three-dimensional porous material based on graphene nanoscale. It has the characteristics of ultra light density, high porosity, high surface area and so on. Therefore, it has attracted much attention in graphene materials. A large number of studies have shown that graphene sponge has good application value in energy, environment, electronics and other fields. In addition, three-dimensional graphene sponge. It is an effective way to apply the excellent properties of graphene in practical fields than the two-dimensional graphene nanometers. This paper mainly studies the different preparation methods of the three-dimensional graphene sponge and the effect of the structural changes on the comprehensive performance of the sponge. The method can obtain three-dimensional graphene sponges with different structures. These structures and the types of functional fillers give different properties to the composite sponge. The sponge prepared not only can be used as the electrode of the supercapacitor, but also can be applied in other fields according to its own structure characteristics. We have studied the graphene nanoribbons with the most similar graphene as functional fillers. We compounded it with Shi Moxi to prepare a composite sponge with high porosity, ultra-low density and excellent compressibility and elasticity by direct freeze-drying. The composite sponge is made up of graphene composite nanoscale with each other, in the sea. In the internal structure, due to the interaction of van Edward force and carbon carbon double bonds, the graphene nanoribbons tightly adsorb on the surface of the graphene sheet to make up the pore wall of the composite sponge, thus improving the mechanical strength of the sponge. The composite sponge as the electrode of the supercapacitor can reach the highest specific capacitance of 256 F g~ (-1) and introduce conductive polymerization. The specific capacitance of the composite sponges of the graphene nanband - graphene polypyrrole three element system after the compound polypyrrole can be further improved to 537 F g~ (-1). Large pore structure and stable properties make the composite sponge also have high adsorption organic solvent and oil properties (adsorption capacity from 100 to 350 g g~ (-1)), which can be used as a water treatment material. In order to improve the mechanical strength of the composite sponge in order to improve the mechanical strength of the composite sponge, we designed another kind of graphene sponge prepared by the "impregnation reduction" method with carbonized fiber as a three-dimensional skeleton. The composite sponge is made of a three-dimensional material of cellulose (cigarette) as a template, and then soaked in the solution of graphene oxide. The composite sponge has a super light density (P =7.6 mg cm-3) and a high mechanical strength. The maximum compressive strength is up to 0.07 MPa, and it can withstand the weight of 4000 times of its mass. The internal structure of the sponge is interwoven with graphene nanoscale carbon fibers, and then compose. After the three-dimensional porous structure is assembled into a supercapacitor, the specific capacitance is 28.9 F g~ (-1); the unique structure of the sponge makes it excellent in the field of electromagnetic wave absorption: its effective electromagnetic wave reflection loss (~ (-1) 0 d B) bandwidth can reach 4.1 GHz, the highest reflection loss value is as high as -30.53 D B; the conductive polymer polypyrine is introduced. After that, the compression strength of the composite sponge in the three element system is further improved to 0.09MPa. The reflection loss value of the electromagnetic wave is raised to -45.12 D B. to change the preparation method. By introducing the reaction of urea and cellulose under the high temperature condition, the composite sponge with nitrogen doped graphene "graft" on the carbonized fiber can be prepared. The nitrogen atom doped graphene "grows" on the carbonized fiber and then intertwine with the carbon fiber to form a three-dimensional porous structure. Due to the introduction of the heteroatom, the carbon fiber reinforced graphene composite sponge has improved the capacitance performance. After assembling it into a supercapacitor, the specific capacitance can reach 107.5 F/g~ (-1). Besides, the capacitance of the carbon fiber reinforced graphene composite sponge can be reached. This "graft" structure also makes the carbonized fiber reinforced composite sponge with excellent elastic properties, and the compression deformation is still fully resilient when the compression deformation reaches 60%, while the porous structure, the characteristics of hydrophobic and hydrophobicity make it an ideal adsorption material. Besides the introduction of carbon materials, we also put forward by "electrochemical deposition leaching". A new type of graphene composite sponge, which has not been reported, is prepared with three dimensional polypyrrole as a skeleton. First, the nickel foam is used as a template. Polypyrrole is deposited on the nickel foam by electrochemical deposition, and a flexible three-dimensional polypyrrole bone frame is obtained by etching the substrate. In order to prepare the substrate of the graphene composite sponge, it can be directly used as the pressure sensor electrode, supercapacitor electrode and so on. Through the "impregnation reduction" method, the graphene is coated on the surface of the skeleton, and a new polypyrrole reinforced graphene composite sponge, which is different from the traditional structure, is prepared. The tensile strength of the composite sponge is 2. 00 K Pa is tested as a pressure sensor electrode, and the display device has a good electrical signal response. In addition, the composite sponge is an excellent supercapacitor electrode material. Through the three electrode system test, the single electrode specific capacitance is up to 702.9 F g~ (-1), and the corresponding supercapacitor is compared to the capacitance after assembly. The value is as high as 357.5 F g~ (-1) and has good cycling performance. After 5000 cycles of charge and discharge, the specific capacitance retention rate of the capacitor is still 82%..
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ127.11;TM53

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 ;科學(xué)家首次用納米管制造出石墨烯帶[J];電子元件與材料;2009年06期

2 ;石墨烯研究取得系列進(jìn)展[J];高科技與產(chǎn)業(yè)化;2009年06期

3 ;新材料石墨烯[J];材料工程;2009年08期

4 ;日本開發(fā)出在藍(lán)寶石底板上制備石墨烯的技術(shù)[J];硅酸鹽通報(bào);2009年04期

5 馬圣乾;裴立振;康英杰;;石墨烯研究進(jìn)展[J];現(xiàn)代物理知識(shí);2009年04期

6 傅強(qiáng);包信和;;石墨烯的化學(xué)研究進(jìn)展[J];科學(xué)通報(bào);2009年18期

7 ;納米中心石墨烯相變研究取得新進(jìn)展[J];電子元件與材料;2009年10期

8 徐秀娟;秦金貴;李振;;石墨烯研究進(jìn)展[J];化學(xué)進(jìn)展;2009年12期

9 張偉娜;何偉;張新荔;;石墨烯的制備方法及其應(yīng)用特性[J];化工新型材料;2010年S1期

10 萬勇;馬廷燦;馮瑞華;黃健;潘懿;;石墨烯國際發(fā)展態(tài)勢(shì)分析[J];科學(xué)觀察;2010年03期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 成會(huì)明;;石墨烯的制備與應(yīng)用探索[A];中國力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)'2009論文摘要集[C];2009年

2 錢文;郝瑞;侯仰龍;;液相剝離制備高質(zhì)量石墨烯及其功能化[A];中國化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì)第04分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2010年

3 張甲;胡平安;王振龍;李樂;;石墨烯制備技術(shù)與應(yīng)用研究的最新進(jìn)展[A];第七屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（第3分冊(cè)）[C];2010年

4 趙東林;白利忠;謝衛(wèi)剛;沈曾民;;石墨烯的制備及其微波吸收性能研究[A];第七屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（第7分冊(cè)）[C];2010年

5 沈志剛;李金芝;易敏;;射流空化方法制備石墨烯研究[A];顆粒學(xué)最新進(jìn)展研討會(huì)——暨第十屆全國顆粒制備與處理研討會(huì)論文集[C];2011年

6 王冕;錢林茂;;石墨烯的微觀摩擦行為研究[A];2011年全國青年摩擦學(xué)與表面工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2011年

7 趙福剛;李維實(shí);;樹枝狀結(jié)構(gòu)功能化石墨烯[A];2011年全國高分子學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)論文摘要集[C];2011年

8 吳孝松;;碳化硅表面的外延石墨烯[A];2011中國材料研討會(huì)論文摘要集[C];2011年

9 周震;;后石墨烯和無機(jī)石墨烯材料:計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合[A];中國化學(xué)會(huì)第28屆學(xué)術(shù)年會(huì)第4分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2012年

10 周琳;周璐珊;李波;吳迪;彭海琳;劉忠范;;石墨烯光化學(xué)修飾及尺寸效應(yīng)研究[A];2011中國材料研討會(huì)論文摘要集[C];2011年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前10條

1 姚耀;石墨烯研究取得系列進(jìn)展[N];中國化工報(bào);2009年

2 劉霞;韓用石墨烯制造出柔性透明觸摸屏[N];科技日?qǐng)?bào);2010年

3 記者 王艷紅;“解密”石墨烯到底有多奇妙[N];新華每日電訊;2010年

4 本報(bào)記者 李好宇 張們捷(實(shí)習(xí)) 特約記者 李季;石墨烯未來應(yīng)用的十大猜想[N];電腦報(bào);2010年

5 證券時(shí)報(bào)記者 向南;石墨烯貴過黃金15倍 生產(chǎn)不易炒作先行[N];證券時(shí)報(bào);2010年

6 本報(bào)特約撰稿 吳康迪;石墨烯 何以結(jié)緣諾貝爾獎(jiǎng)[N];計(jì)算機(jī)世界;2010年

7 記者 謝榮　通訊員 夏永祥 陳海泉 張光杰;石墨烯在泰實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[N];泰州日?qǐng)?bào);2010年

8 本報(bào)記者 紀(jì)愛玲;石墨烯：市場(chǎng)未啟 炒作先行[N];中國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)報(bào);2011年

9 周科競(jìng);再說石墨烯的是與非[N];北京商報(bào);2011年

10 王小龍;新型石墨烯材料薄如紙硬如鋼[N];科技日?qǐng)?bào);2011年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 呂敏;雙層石墨烯的電和磁響應(yīng)[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

2 羅大超;化學(xué)修飾石墨烯的分離與評(píng)價(jià)[D];北京化工大學(xué);2011年

3 唐秀之;氧化石墨烯表面功能化修飾[D];北京化工大學(xué);2012年

4 王崇;石墨烯中缺陷修復(fù)機(jī)理的理論研究[D];吉林大學(xué);2013年

5 盛凱旋;石墨烯組裝體的制備及其電化學(xué)應(yīng)用研究[D];清華大學(xué);2013年

6 姜麗麗;石墨烯及其復(fù)合薄膜在電極材料中的研究[D];西南交通大學(xué);2015年

7 姚成立;多級(jí)結(jié)構(gòu)石墨烯/無機(jī)非金屬復(fù)合材料的仿生合成及機(jī)理研究[D];安徽大學(xué);2015年

8 伊丁;石墨烯吸附與自旋極化的第一性原理研究[D];山東大學(xué);2015年

9 梁巍;基于石墨烯的氧還原電催化劑的理論計(jì)算研究[D];武漢大學(xué);2014年

10 王義;石墨烯的模板導(dǎo)向制備及在電化學(xué)儲(chǔ)能和腫瘤靶向診療方面的應(yīng)用[D];復(fù)旦大學(xué);2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 詹曉偉;碳化硅外延石墨烯以及分子動(dòng)力學(xué)模擬研究[D];西安電子科技大學(xué);2011年

2 王晨;石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)及其對(duì)電化學(xué)性能的影響[D];北京化工大學(xué);2011年

3 苗偉;石墨烯制備及其缺陷研究[D];西北大學(xué);2011年

4 蔡宇凱;一種新型結(jié)構(gòu)的石墨烯納米器件的研究[D];南京郵電大學(xué);2012年

5 金麗玲;功能化石墨烯的酶學(xué)效應(yīng)研究[D];蘇州大學(xué);2012年

6 黃凌燕;石墨烯拉伸性能與尺度效應(yīng)的研究[D];華南理工大學(xué);2012年

7 劉汝盟;石墨烯熱振動(dòng)分析[D];南京航空航天大學(xué);2012年

8 雷軍;碳化硅上石墨烯的制備與表征[D];西安電子科技大學(xué);2012年

9 于金海;石墨烯的非共價(jià)功能化修飾及載藥系統(tǒng)研究[D];青島科技大學(xué);2012年

10 李晶;高分散性石墨烯的制備[D];上海交通大學(xué);2013年

，

本文編號(hào)：2036147