超輕多功能石墨烯復(fù)合海綿的制備及其應(yīng)用研究.pdf

1、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，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

2、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電容器電極，還能夠根據(jù)自身結(jié)構(gòu)特點應(yīng)用在其他領(lǐng)域中，因而具備多功能性的特點。
　　首先對結(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

3、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)強度。將復(fù)合海綿作為超級電容器的電極，其比電容最高能夠達(dá)到256F 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一步提高至537F 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溶劑及油劑性能（吸附量從100到350g g-1），可以作為水處理材料。
　　基于上述研究結(jié)果，為了一進

4、步提高復(fù)合海綿的力學(xué)強度，我們設(shè)計了另一種通過“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=7.6mg cm-3）的同時卻具有較高的力學(xué)強度，其最大壓縮強度高達(dá)0.07MPa，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，進而組成了三維多孔結(jié)構(gòu)，將

5、其組裝成超級電容器后，比電容為28.9F g-1;該海綿獨特的結(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（<-10dB）帶寬能夠達(dá)到4.1GHz，最高反射損耗值高達(dá)-30.53dB；引入導(dǎo)電聚合物聚吡咯以后，三元體系的復(fù)合海綿壓縮強度進一步提高到0.09MPa，電磁波反射損耗值提升至-45.12dB。
　　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)

6、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，該碳化纖維增強的石墨烯復(fù)合海綿電容性能得到提高，將其組裝成超級電容器后，比電容值能夠達(dá)到107.5F/g-1。此外，這種“接枝”的結(jié)構(gòu)也使得該碳化纖維增強復(fù)合海綿具有優(yōu)異的彈性性能，壓縮形變達(dá)到60％時仍能完全彈性恢復(fù)；而多孔結(jié)構(gòu)、親油疏水的特點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

7、通過“電化學(xué)沉積-浸漬-還原”法制備一種尚未見報道的、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)的新型聚吡咯增強石墨烯復(fù)合海綿，該復(fù)合海綿的拉伸強度為20