三維石墨烯納米復合材料的合成、表征及其應用.pdf

1、碳納米材料最近以來一直是科學研究的熱門領(lǐng)域。碳族材料，其中包括一維的碳納米管和二維的單原子層石墨烯等，由于其優(yōu)異的熱、電、力學性能在很多領(lǐng)域都有潛在的應用價值。正是因為其本身具有的獨特結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。石墨烯近些年在世界范圍內(nèi)受到了非常重要的關(guān)注，尤其是在場效應技術(shù)，化學和生物傳感器，能量儲存材料，聚合物復合材料，以及電化學催化等領(lǐng)域在近些年有著大量的研究成果展示出石墨烯和氧化石墨烯材料的優(yōu)異性能。
　　石墨烯和碳納米管，這兩種碳族元素

2、的同素異形體，同作為納米材料研究領(lǐng)域中的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元，將它們復合組裝起來，能開發(fā)出具有潛在應用價值的復合材料。碳納米管分散在石墨烯層與層之間，在石墨烯內(nèi)部有缺陷的情況下，很好地起到了橋梁的作用，有利于增加電子在復合材料中的傳輸效率。另外，由于在石墨烯組成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中加入碳納米管，能增大納米復合材料的比表面積，有利于復合材料與其他納米材料的進一步復合。碳納米管和石墨烯三維復合材料可以通過化學氣相沉積的方法直接得到，但是由于其成產(chǎn)成本太

3、高，工序復雜以及產(chǎn)量太低，無法大規(guī)模的生產(chǎn)，限制了它的推廣應用。到目前為止，盡管有研究報道關(guān)于有硅，熱解有機聚合物，金屬氧化物等等和碳基材料的三維組裝，但是通過簡單綠色低成本方法制備高質(zhì)量的石墨烯和碳納米管三維復合材料依然是一個科研挑戰(zhàn)。
　　本文采用簡單綠色的方法分別制備了三維碳納米管和石墨烯復合材料、鈀納米粒子-碳納米管-石墨烯復合材料以及二氧化錫-石墨烯-碳納米管納米復合材料，并對材料進行了表征和性能分析。
　　本文主

4、要包括以下四個方面的研究內(nèi)容：
　　1）采用簡單環(huán)保的水熱還原法制備出三維石墨烯與碳納米管復合自組裝體，通過調(diào)控碳納米管和石墨烯的比例，得到不同的復合材料，并對其進行表征研究與討論。和普通的三維石墨烯相比，這種新型石墨烯與碳納米管復合自組裝體具有更高的導電性能和更大的比表面積。
　　2）采用綠色簡單的方法合成三維鈀納米粒子-石墨烯-碳納米管復合材料。通過簡單的水熱還原然后引入金屬鈀離子，在自發(fā)進行的氧化還原反應過程中，在石墨

5、烯和碳納米管的復合碳基材上原位生長鈀納米顆粒（平均粒徑為4nm）。盡管這種材料中鈀金屬的含量只有1.14wt％，但是其在對硝基苯酚還原為對氨基苯酚的反應中表現(xiàn)出高效的催化活性，而且穩(wěn)定性好，其催化過程只需要20秒鐘就能完成。
　　3）采用環(huán)保一步法直接合成三維鈀金屬納米粒子-石墨烯-碳納米管復合材料，該復合材料表現(xiàn)出非常高效而且穩(wěn)定的催化活性。通過對材料的的其微觀形貌進行表征，對其元素構(gòu)成進行了分析，探討了組成和結(jié)構(gòu)與其催化活性之

6、間的關(guān)系。本方法不添加任何其他的穩(wěn)定劑和助劑，有利于其工業(yè)化的推廣。
　　4）采用綠色簡單的方法合成了一種三維結(jié)構(gòu)的二氧化錫納米粒子-石墨烯-碳納米管復合材料，這種復合材料可以用作鋰電池負極材料，在電化學電池充放電測試中表現(xiàn)出卓越的電化學性質(zhì)和穩(wěn)定的充放電能力。復合材料中二氧化錫（平均尺寸4-5nm）的含量僅為14％，但該復合材料在鋰電負極材料測試中的首次庫倫效率高達58.5％，充放電循環(huán)穩(wěn)定性良好（循環(huán)穩(wěn)定后約為711mAh/g