石墨烯氣凝膠的制備及應用研究.pdf

1、石墨烯氣凝膠是以二維的石墨烯作為構筑單元，通過納米片之間的卷曲和堆疊，形成的具有獨特三維結構的新型納米材料，具有超低密度、高比表面積和孔隙率、高電導率等，在吸附、催化劑載體、能量儲存、傳感器等領域具有很強的應用前景。
　　本論文采用了一種簡單高效的方法，制備了結構規(guī)整、孔隙結構豐富、力學性能良好的三維可壓縮回復的石墨烯氣凝膠材料，探索了其在有機溶劑/油的吸附材料、受應力控制電阻傳感器和燃料電池中氧還原反應催化劑方面的應用。研究工作

2、主要包括以下幾個方面：
　　1.通過改進Hummers法成功制備了單層的氧化石墨烯（GO），GO片層厚度為1.2nm，片層上引入了部分含氧基團，但熱穩(wěn)定性下降明顯，到600℃時失重已達38％。
　　2.以GO為前驅體，以尿素作為還原劑，通過一步還原自組裝法和冷凍干燥技術成功制備了石墨烯氣凝膠，研究了還原劑用量，還原時間和還原溫度對結構和性能的影響。結果顯示，隨著尿素含量的增加，水凝膠塊體的體積逐漸減小，當含量較高或較低時，干

3、燥之后均會發(fā)生不同程度的破裂，以GO和尿素質量比為1:5時最佳；隨著還原時間的增加，水凝膠塊體的體積縮小，超過24h之后，所形成的石墨烯水凝膠塊體的體積基本穩(wěn)定。
　　3.重點研究了還原溫度對石墨烯氣凝膠結構和性能的影響。結果表明，隨著溫度增加氣凝膠塊體不斷減小，85℃時氣凝膠的密度僅為4.7mg·cm-3。SEM分析顯示均具有豐富的孔隙結構，90℃時得到的氣凝膠具有孔徑分布均勻、―蜂窩狀‖的孔隙結構，孔徑一般在60μm左右。經還

4、原后，氣凝膠的熱穩(wěn)定性比GO有所提高，在600℃時失重為23%。氣凝膠具有優(yōu)異的力學性能，當應變?yōu)?0%時，最大應力可達到6.34kPa。
　　4.通過改變氧化石墨烯水溶液的濃度，成功制備了三維多孔石墨烯氣凝膠，其密度可在6.3mg·cm-3到9.9mg·cm-3之間調控。氧化石墨烯在還原組裝的過程中結構和組成發(fā)生了變化，部分含氧基團脫除，并伴有少量的氮元素摻雜入石墨烯中。所制備的石墨烯氣凝膠具有相對光滑的表面和多孔的內部結構，優(yōu)

5、異的壓縮可回復性能，在壓縮-回復100次之后其力學強度幾乎沒有發(fā)生明顯的變化。當應變?yōu)?0%時，最大應力能達到19.3kPa。
　　5.將石墨烯氣凝膠應用于有機溶劑/油的吸附劑材料，針對吸附物的種類和性質，以三氯甲烷、正己烷、泵油作為吸附物，分別采用吸附-蒸餾、吸附-燃燒、吸附-擠壓三種方法，探究了多次吸附-脫附的循環(huán)使用情況。所制備的多孔石墨烯氣凝膠均具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性能，10次循環(huán)后吸附量和尺寸穩(wěn)定性能均能較好的保留。對正己

6、烷的首次吸附量為105.2g·g-1，對氯仿的吸附量為126.5g·g-1，對泵油的吸附量為178.6g·g-1，顯示出很高的吸附能力。
　　6.對所制備的石墨烯氣凝膠在氮氣下進行熱處理后，其石墨化程度有一定程度的增加，疏水性提高，接觸角從130°提高到142°，電阻率從2542.5Ω·m下降到1.2Ω·m，下降了2500倍，電阻由11.4 kΩ減小到0.98 kΩ。在不同壓縮狀態(tài)下其電阻隨應變而變化，可作為受應變控制的電阻傳感器