三維多孔石墨烯復合材料的氣泡模板制備方法及其電化學性能研究.pdf

1、石墨烯具有超大比表面積、良好的導電性以及優(yōu)異的化學/電化學穩(wěn)定性，是電子器件、電化學催化和能量儲存及轉(zhuǎn)化等應用領(lǐng)域理想的電極材料。然而由于石墨烯片層之間的π-π相互作用，石墨烯之間容易發(fā)生堆疊現(xiàn)象，從而減小石墨烯材料的比表面積和導電性，限制了其作為電極材料的應用。將具有納米尺寸的二維石墨烯組裝成高級有序的三維結(jié)構(gòu)，不僅可以極大保留石墨烯的各種優(yōu)異性能，還可以通過調(diào)控其結(jié)構(gòu)和形貌獲得更多的功能和應用。本論文以石墨烯的三維組裝及其電化學性能

2、研究為主題，以氧化石墨烯作為基本構(gòu)筑單元，通過氣泡模板法先后構(gòu)筑具有三維多孔結(jié)構(gòu)的還原石墨烯、石墨烯/聚吡咯、氮摻雜石墨烯組裝體，探索了組裝機制并研究了它們在超級電容器和電化學催化氧還原應用中的電化學性質(zhì)。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　(1)以溶液中的氫氣泡作為軟模板，通過在不同的導電基片上電化學還原沉積制備了具有三維多孔結(jié)構(gòu)的還原石墨烯電極材料，探索了在氫氣泡導向下三維多孔石墨烯組裝體的形成機制，探索了沉積時間、沉積電壓、表面活

3、性劑的濃度對于該三維多孔石墨烯組裝體結(jié)構(gòu)和形貌的影響。通過掃描電子顯微鏡、拉曼光譜、X射線光電子能譜、電化學等表征手段，研究了三維石墨烯的還原程度、結(jié)構(gòu)組成以及電化學性質(zhì)。
　　(2)以第一個工作制備得到的三維大孔石墨烯電極作為工作電極，電化學聚合吡咯，制備石墨烯/聚吡咯三維多孔復合材料。復合材料中石墨烯/聚吡咯的含量比可以通過改變電化學聚合時間進行調(diào)控。由于石墨烯的三維導電框架，石墨烯/聚吡咯復合材料在超級電容器性能測試中展現(xiàn)出

4、了大的面積比電容(196 mF/cm2，1 mA/cm2)以及快速充放電的能力。將該復合材料電極成功的組裝成器件，可以使商用的紅色LED燈發(fā)光。
　　(3)將第二個工作得到的石墨烯/聚吡咯復合材料進行高溫煅燒，制備具有三維多孔結(jié)構(gòu)的氮摻雜石墨烯材料，石墨烯材料中氮元素含量和形式可由煅燒溫度控制。制備得到的氮摻雜三維多孔石墨烯可以作為電化學催化氧還原反應的催化劑。其中，800℃溫度下煅燒的氮摻雜石墨烯在氧還原催化反應中遵循四電子轉(zhuǎn)移