石墨烯基納米復(fù)合材料的制備及其在電化學(xué)中的應(yīng)用.pdf

1、由單層碳原子構(gòu)成的具有理想二維結(jié)構(gòu)的石墨烯納米片，具有非常獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能，自發(fā)現(xiàn)已來就引起了全世界科研工作者的廣泛關(guān)注。石墨烯具有極大的比表面積，非常適合作不同形貌的納米材料載體，其極好的電導(dǎo)率可以提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性能，使復(fù)合材料的不同組分充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)材料間的協(xié)同效應(yīng)，彌補(bǔ)單一材料無法滿足各方面性能需求的缺點(diǎn)。目前有多種合成石墨烯復(fù)合材料的方法，其中電化學(xué)方法具有成本低、操作簡(jiǎn)便、產(chǎn)物純度高等優(yōu)點(diǎn)，可以直接在碳糊

2、電極或泡沫鎳集流體等材料上直接生長(zhǎng)獲得石墨烯復(fù)合材料。
　　本文主要從電化學(xué)生物傳感器和超級(jí)電容器兩個(gè)方面來研究石墨烯納米復(fù)合材料在電化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。首先直接將石墨烯固定到電極表面，研究石墨烯在電化學(xué)生物傳感器中的應(yīng)用；然后用電化學(xué)方法在電極表面直接還原氧化石墨烯得到三維結(jié)構(gòu)的石墨烯材料，然后電沉積其他納米材料，得到三維石墨烯納米復(fù)合材料，以此作為超級(jí)電容器電極材料研究其電容性能。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：
　　1.利用層層組裝的

3、方法構(gòu)建多層石墨烯/肌紅蛋白修飾電極，用殼聚糖將修飾材料固定在電極表面，測(cè)試肌紅蛋白在該修飾電極上的直接電化學(xué)行為。循環(huán)伏安掃描得到一對(duì)峰形良好的準(zhǔn)可逆氧化還原峰，說明成功實(shí)現(xiàn)肌紅蛋白與電極界面之間的直接電子轉(zhuǎn)移。多層石墨烯納米片的存在為肌紅蛋白提供了較大的比表面積、良好的生物兼容性以及較高的電子轉(zhuǎn)移速率。該石墨烯/肌紅蛋白修飾電極對(duì)電催化三氯乙酸（TCA）有較好的結(jié)果，還原峰電流與TCA濃度在0.6～26.0 mmol/L之間呈線性關(guān)

4、系，檢測(cè)限為0.15 mmol/L(3σ)。
　　2.用電化學(xué)方法將氧化鋯（ZrO2）納米材料沉積到涂有石墨烯（GR）的離子液體修飾碳糊電極（CILE）表面，制備得到ZrO2/GR/CILE電極，然后將肌紅蛋白固定在ZrO2/GR/CILE電極表面。用掃描電鏡（SEM）和電化學(xué)方法表征電極，結(jié)果表明電極表面納米復(fù)合材料的存在增加了電極的比表面積。循環(huán)伏安測(cè)試出現(xiàn)一對(duì)準(zhǔn)可逆的氧化還原峰，說明肌紅蛋白的直接電化學(xué)行為在電極表面得以實(shí)現(xiàn)

5、，這歸因于肌紅蛋白中的Fe(III)/Fe(II)氧化還原電對(duì)的典型電化學(xué)行為。電極表面ZrO2/GR納米復(fù)合材料的存在為肌紅蛋白提供特殊界面從而加速電子轉(zhuǎn)移。通過對(duì)電化學(xué)參數(shù)的計(jì)算研究了肌紅蛋白的直接電化學(xué)行為。在選定的條件下肌紅蛋白修飾電極對(duì)三氯乙酸表現(xiàn)出良好的電催化活性，具有較寬的線性范圍（0.4～29.0 mmol/L）和較低的檢測(cè)限（0.13 mmol/L(3σ)）。
　　3.通過恒電位沉積法在離子液體修飾碳糊電極（CI

6、LE）表面得到三維結(jié)構(gòu)的石墨烯（3DGR），然后通過恒電位法在3DGR/CILE電極表面沉積ZnO納米顆粒。通過掃描電鏡等手段對(duì)其形貌進(jìn)行表征。以其作為超級(jí)電容器的電極材料，通過循環(huán)伏安法，恒電流充放電法和交流阻抗法等方法研究ZnO/3DGR納米復(fù)合材料的儲(chǔ)能機(jī)理和電容性能。該復(fù)合材料在電流密度為3 mA/cm2時(shí)的比電容為46.31 mF/cm2，并表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　4.通過恒電位沉積法在CILE電極表面快速制備Mn

7、O2/3DGR納米復(fù)合材料，利用掃描電鏡等手段表征其形貌。利用循環(huán)伏安法，恒電流充放電法和交流阻抗法等方法研究MnO2/3DGR納米復(fù)合材料的儲(chǔ)能機(jī)理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)石墨烯為載體可以克服MnO2納米顆粒單獨(dú)存在時(shí)導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。該復(fù)合材料在電流密度為3 mA/cm2時(shí)比電容為36.42 mF/cm2，經(jīng)過1000次循環(huán)充放電測(cè)試比電容保持率達(dá)104％左右，說明該復(fù)合材料具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　5.通過恒電位法在CILE表

8、面得到Co(OH)2/3DGR納米復(fù)合材料，掃描電鏡結(jié)果顯示Co(OH)2/3DGR納米復(fù)合材料呈現(xiàn)三維無序多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以極大增加材料與電解液間的接觸面積。以其作為超級(jí)電容器的電極材料，通過電化學(xué)方法研究Co(OH)2/3DGR納米復(fù)合材料的儲(chǔ)能機(jī)理。該電極材料在電流密度為5 mA/cm2時(shí)比電容為730.23 mF/cm2，在大電流密度下進(jìn)行3000次循環(huán)充放電時(shí)比電容保持率達(dá)80%，說明該納米復(fù)合材料具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，是一種