功能化石墨烯基材料的制備及其在能源儲存領(lǐng)域中的應(yīng)用.pdf

1、石墨烯是僅有一個原子厚度的sp2雜化的二維碳材料，由于具有獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，而被視為最有前景的新型奇跡材料之一。在能源危機日益嚴(yán)重的今天，科學(xué)研究人員廣泛探討了石墨烯在能源儲存與轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的應(yīng)用，如太陽能電池、鋰離子電池、超級電容器和催化劑等。石墨烯的化學(xué)研究表明，對石墨烯的功能化可以調(diào)控其分子結(jié)構(gòu)、電子能級和化學(xué)性質(zhì)，從而實現(xiàn)石墨烯基材料的多元化應(yīng)用。為此，利用共價鍵和非共價鍵來制備功能化石墨烯的策略就受到了廣大科研工作者的廣泛關(guān)注

2、。在本論文中，我們利用簡單有效的方法來制備功能化石墨烯基材料，并研究了它們在能源儲存領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　1.三維的石墨烯基材料具有大的比表面積、高的孔隙率以及優(yōu)越的物理化學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于催化劑載體、藥物傳載、組織工程學(xué)、能源儲存、傳感器和執(zhí)行器等領(lǐng)域。當(dāng)前已報道的制備氧化石墨烯凝膠的方法是將親水性的聚合物或者金屬離子做為連接劑，利用氧化石墨烯片層與連接劑分子之間的氫鍵或者靜電相互作用來誘導(dǎo)氧化石墨烯的自組裝。然而，如何利用其它的方

3、法來制備三維結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯凝膠，同時實現(xiàn)該三維材料孔結(jié)構(gòu)和晶面間距的可控研究，在目前是一個頗具挑戰(zhàn)的難題。經(jīng)過深入的研究，我們發(fā)現(xiàn)，在室溫下通過引入疏水性的二茂鐵連接劑分子，利用它和氧化石墨烯之間的π-π超分子作用力，可以成功制備出三維氧化石墨烯凝膠。同時，該方法也為氧化石墨烯凝膠晶面間距和孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控提供了很好的思路。
　　2.氧化石墨烯通常是由化學(xué)氧化剝離石墨，在石墨烯片層上引入羧基、羥基和環(huán)氧基的辦法而制備的。然而，由于這

4、部分強親水性含氧官能團(tuán)的引入，使得氧化石墨烯與很多的有機溶劑不相溶，這就在很大程度上限定了石墨烯基材料在聚合物填充劑方面的應(yīng)用。另一方面，也由于氧化石墨烯在液相還原過程中很容易發(fā)生不可逆的堆積和聚集，導(dǎo)致比表面積和孔隙率大大降低，嚴(yán)重影響了石墨烯在能源儲存領(lǐng)域方面的應(yīng)用?；谝陨蠁栴}，在本論文中，我們發(fā)展了一種簡單方便的一步水相合成法制備共價鍵功能化的氧化石墨烯，提高了它在有機溶劑中的溶解度。隨后，我們發(fā)現(xiàn)引入的這部分官能團(tuán)，在氧化石墨

5、烯還原過程中，不但可以在一定程度上阻止石墨烯的聚集，而且也可以增強石墨烯在超級電容器應(yīng)用方面的電化學(xué)性能。
　　3.傳統(tǒng)的鋰離子電池是以鋰過渡金屬氧化物或過渡金屬磷酸鹽做為正極，石墨類材料做為負(fù)極。由于這類材料的理論容量較低，正極（150-200 mAh/g），負(fù)極（372 mAh/g），所以傳統(tǒng)鋰離子電池的電荷儲存能力就被限定在300 mAh/g左右。為此，大量的研究工作都聚焦于探尋高容量的碳基材料做為新一代鋰離子電池負(fù)極，如碳