基于三維石墨烯的新型感應(yīng)器與超級電容器
發(fā)布時(shí)間：2021-11-25 07:32
石墨烯是碳原子以sp2雜化形式緊密排列于平面六角晶格形成的二維材料,具有高孔隙率、高光學(xué)透過率、大比表面積和高電荷轉(zhuǎn)移效率等眾多優(yōu)異的性質(zhì)。但石墨烯層間的范德華力或π-π共軛使其極易堆疊,很大程度上降低了自由π電子數(shù)量和電荷轉(zhuǎn)移速率,從而抑制了單片石墨烯特性的宏觀表達(dá)。將二維石墨烯轉(zhuǎn)化為三維石墨烯（3DG）不僅可以有效地改善石墨烯堆疊問題,還能將單層石墨烯的優(yōu)異性質(zhì)予以宏觀尺度放大。因此,3DG作為新型碳材料在光電傳感器、能量存儲、電催化和軍事防護(hù)等研究領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。當(dāng)前,感應(yīng)定制的工業(yè)4.0和能量存儲利用是推動(dòng)人類進(jìn)步的兩大研究前沿領(lǐng)域�；�3DG其快速的電荷轉(zhuǎn)移和高比表面積,本論文將從制備多功能的3DG材料出發(fā),探索其在新型感應(yīng)器和超級電容器領(lǐng)域的新應(yīng)用,為促進(jìn)工業(yè)4.0和緩解能源危機(jī)發(fā)展新思路。論文主要研究結(jié)果如下:（1）3DG和N-3DG的高效構(gòu)筑及性能研究論文通過一步溶劑熱還原高效構(gòu)筑具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)、優(yōu)良機(jī)械性能、超輕密度和高孔隙率的3DG。對反應(yīng)因素進(jìn)行探究發(fā)現(xiàn),前驅(qū)體氧化石墨烯（Graphene oxide,GO）的濃度及尺寸對3DG的宏觀形貌影...
【文章來源】：重慶大學(xué)重慶市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：74 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
碳元素的各種同素異形體[1]
1緒論3賦予其快速的質(zhì)子/電荷轉(zhuǎn)移能力，使其感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)幾千倍。這使3DG在光電傳感器、能量存儲、電催化和軍事防護(hù)等研究領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。因此，制備多功能的3DG材料對促進(jìn)工業(yè)4.0和緩解能源危機(jī)具有重要的意義。由于3DG的原材料為二維石墨烯，所以制備方法也和石墨烯有所類似。①化學(xué)氣相沉積法（CVD）如上所述，CVD法可用于制備石墨烯片層或薄膜，也可制備3DG。只要將金屬襯底(Cu箔或Ni箔)替換成三維結(jié)構(gòu)的泡沫Cu或者泡沫Ni即可，碳沉積在泡沫基底后，采用酸將基底刻蝕即得到3DG。當(dāng)然，模板也可以是Ni納米顆粒[9]、多孔碳[10]和陽極氧化鋁[11]。廣義來說，CVD法也模板法的一種，只是因其制備工藝獨(dú)特才分屬出來。主要制備過程如下圖1.2所示。Li和Chen等人[12,13]采用CH4為碳源，在泡沫Ni表面均勻沉積石墨烯網(wǎng)絡(luò)，再以HCl刻蝕泡沫Ni得到相互交聯(lián)的3DG泡沫。通過該方法制備的3DG雖具有較高比表面積(850m2g1)[14]，但反應(yīng)能耗較高，工藝較復(fù)雜。圖1.2CVD法制備3DG實(shí)驗(yàn)過程[13]Fig.1.2Themethodofprepared3DGbyCVD(a)NF骨架；(b)CVD沉積3DG；(c)涂覆聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；(d)酸刻蝕（熱HCl）；(e)丙酮溶去PMMA；(f)3DG復(fù)合材料(a)NFfoam;(b)Thegrowthof3DGbyCVD;(c)CoatingPMMAtoprotect3DGnetwork;(d)EtchingbyhotHCl;(e)DissolvingPMMAbyacetone;(f)GF/PDMScomposite②水熱還原法水熱還原法是制備3DG最常見且簡便易行的方法。通常是將0.5～5mgml-1的GO分散在水或者乙醇溶液中，超聲分散均勻，將其轉(zhuǎn)移至高溫高壓反應(yīng)釜中，于
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文4120℃反應(yīng)12h，得到3DG凝膠，之后通過冷凍干燥和高溫煅燒制備3DG。該方法原理是帶有含氧官能團(tuán)（-OH或-COOH）的GO經(jīng)過熱處理后脫水，還原氧化石墨烯片之間相互搭接，從而形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。具體合成工藝如圖1.3所示。Chen等人[15]利用水熱還原法制備出三維石墨烯海綿，展現(xiàn)出前所未有的高彈性和幾乎近零的泊松比。隨后，Wu等人[16]利用該思路設(shè)計(jì)了三維石墨負(fù)極材料，并展示了高達(dá)70mAhg-1的比電容。這種方法不僅成本低廉，且簡便易行，但是仍存在石墨烯的堆疊，且不可控因素多，制備熱力學(xué)優(yōu)良的完全彈性海綿仍是大多數(shù)研究者的挑戰(zhàn)。圖1.3水熱還原法制備3DG實(shí)驗(yàn)過程[15]Fig.1.3Themethodofprepared3DGbyhydrothermalreduction.(a)GO還原成3DG；(b)3DG宏觀照片；(c)3DG的掃描電鏡照片(a)ConversionofGOto3DG;(b)Photographsof3DG;(c)SEMof3DG③模板法上述CVD法也屬于廣義模板法的一種，即先依附后犧牲的合成方法。一般來說，模板法主要是以聚苯乙烯球[17,18]、三聚氰胺海綿（MF）[19]和泡沫鎳[20,21]等為模板，通過化學(xué)作用在表面生長3DG，最終將模板刻蝕得到3DG的一種方法。詳細(xì)合成工藝如圖1.4。李等人[19]以三聚氰胺海綿為模板，將其浸沒于GO溶液中，保證聚氰胺海綿表面被GO充分浸漬，采用化學(xué)劑還原GO形成三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。最后，高溫煅燒去除三聚氰胺海綿模板，進(jìn)而得到具有規(guī)則形貌的3DG。
本文編號：3517676
【文章來源】：重慶大學(xué)重慶市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：74 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
碳元素的各種同素異形體[1]
1緒論3賦予其快速的質(zhì)子/電荷轉(zhuǎn)移能力，使其感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)幾千倍。這使3DG在光電傳感器、能量存儲、電催化和軍事防護(hù)等研究領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。因此，制備多功能的3DG材料對促進(jìn)工業(yè)4.0和緩解能源危機(jī)具有重要的意義。由于3DG的原材料為二維石墨烯，所以制備方法也和石墨烯有所類似。①化學(xué)氣相沉積法（CVD）如上所述，CVD法可用于制備石墨烯片層或薄膜，也可制備3DG。只要將金屬襯底(Cu箔或Ni箔)替換成三維結(jié)構(gòu)的泡沫Cu或者泡沫Ni即可，碳沉積在泡沫基底后，采用酸將基底刻蝕即得到3DG。當(dāng)然，模板也可以是Ni納米顆粒[9]、多孔碳[10]和陽極氧化鋁[11]。廣義來說，CVD法也模板法的一種，只是因其制備工藝獨(dú)特才分屬出來。主要制備過程如下圖1.2所示。Li和Chen等人[12,13]采用CH4為碳源，在泡沫Ni表面均勻沉積石墨烯網(wǎng)絡(luò)，再以HCl刻蝕泡沫Ni得到相互交聯(lián)的3DG泡沫。通過該方法制備的3DG雖具有較高比表面積(850m2g1)[14]，但反應(yīng)能耗較高，工藝較復(fù)雜。圖1.2CVD法制備3DG實(shí)驗(yàn)過程[13]Fig.1.2Themethodofprepared3DGbyCVD(a)NF骨架；(b)CVD沉積3DG；(c)涂覆聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；(d)酸刻蝕（熱HCl）；(e)丙酮溶去PMMA；(f)3DG復(fù)合材料(a)NFfoam;(b)Thegrowthof3DGbyCVD;(c)CoatingPMMAtoprotect3DGnetwork;(d)EtchingbyhotHCl;(e)DissolvingPMMAbyacetone;(f)GF/PDMScomposite②水熱還原法水熱還原法是制備3DG最常見且簡便易行的方法。通常是將0.5～5mgml-1的GO分散在水或者乙醇溶液中，超聲分散均勻，將其轉(zhuǎn)移至高溫高壓反應(yīng)釜中，于
重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文4120℃反應(yīng)12h，得到3DG凝膠，之后通過冷凍干燥和高溫煅燒制備3DG。該方法原理是帶有含氧官能團(tuán)（-OH或-COOH）的GO經(jīng)過熱處理后脫水，還原氧化石墨烯片之間相互搭接，從而形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。具體合成工藝如圖1.3所示。Chen等人[15]利用水熱還原法制備出三維石墨烯海綿，展現(xiàn)出前所未有的高彈性和幾乎近零的泊松比。隨后，Wu等人[16]利用該思路設(shè)計(jì)了三維石墨負(fù)極材料，并展示了高達(dá)70mAhg-1的比電容。這種方法不僅成本低廉，且簡便易行，但是仍存在石墨烯的堆疊，且不可控因素多，制備熱力學(xué)優(yōu)良的完全彈性海綿仍是大多數(shù)研究者的挑戰(zhàn)。圖1.3水熱還原法制備3DG實(shí)驗(yàn)過程[15]Fig.1.3Themethodofprepared3DGbyhydrothermalreduction.(a)GO還原成3DG；(b)3DG宏觀照片；(c)3DG的掃描電鏡照片(a)ConversionofGOto3DG;(b)Photographsof3DG;(c)SEMof3DG③模板法上述CVD法也屬于廣義模板法的一種，即先依附后犧牲的合成方法。一般來說，模板法主要是以聚苯乙烯球[17,18]、三聚氰胺海綿（MF）[19]和泡沫鎳[20,21]等為模板，通過化學(xué)作用在表面生長3DG，最終將模板刻蝕得到3DG的一種方法。詳細(xì)合成工藝如圖1.4。李等人[19]以三聚氰胺海綿為模板，將其浸沒于GO溶液中，保證聚氰胺海綿表面被GO充分浸漬，采用化學(xué)劑還原GO形成三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。最后，高溫煅燒去除三聚氰胺海綿模板，進(jìn)而得到具有規(guī)則形貌的3DG。
本文編號：3517676
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