三維石墨烯材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控及其性能研究.pdf

1、近些年，石墨烯作為碳材料的一種獨特的結(jié)構(gòu)因其本身具有很好的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能越來越得到人們更多的關(guān)注。石墨烯在很多領(lǐng)域包括電子、導(dǎo)電納米復(fù)合材料、薄膜、電磁屏蔽和傳感器等都有著很廣泛的應(yīng)用。而石墨烯片層組裝成三維超輕的多孔材料之后能夠更能應(yīng)用在催化劑載體、能源儲存和環(huán)境保護等方面有著更多的應(yīng)用前景。把二維石墨烯材料組裝成三維石墨烯氣凝膠材料不僅避免了石墨烯片層之間的堆積，還能保持石墨烯本身的高導(dǎo)電率和較大的比表面積，更能使其本身結(jié)構(gòu)有

2、著較低的密度和較高的孔隙率。
　　過去許多工作致力于制備各種各樣的三維石墨烯材料，制備方法主要包括自組裝、模板法和化學(xué)沉積法。在這些方法中，用氧化石墨作為前驅(qū)體來自組裝構(gòu)建三維骨架的石墨烯水凝膠是最常用的方法。利用水熱法或者化學(xué)還原法來使氧化石墨轉(zhuǎn)化為石墨烯，常用的化學(xué)還原劑有亞硫酸氫鈉、硫化鈉、水合肼、氫碘酸、氫醌和維生素C等。然后通過冷凍干燥或超臨界干燥的方法得到石墨烯氣凝膠。在這個過程中，改變冷凍條件便可制備不同性能和結(jié)構(gòu)的

3、石墨烯氣凝膠。
　　本論文通過比較不同石墨烯制備方法的優(yōu)缺點，用定向冷凍的方法制備了具有高度定向結(jié)構(gòu)的超輕石墨烯氣凝膠材料。具體研究內(nèi)容如下:
　　1.用Hummers制備了氧化程度較高的氧化石墨，通過XRD、FTIR、XPS等表征手段證實在氧化石墨片層上有著許多豐富的含氧官能團，這為下面進一步制備石墨烯氣凝膠提供了很好的前驅(qū)體。利用維生素C作為還原劑、在70℃的溫度中反應(yīng)4小時，便可得到石墨烯水凝膠。之后利用定向冷凍和冷凍

4、干燥的方法制備了石墨烯氣凝膠材料。通過掃描電鏡可以看到所得到的氣凝膠中定向排列的石墨烯壁孔。通過XRD、FTIR、XPS等表征手段可以看出氣凝膠中氧化石墨的含氧官能團大量脫落而得到的石墨烯片層。
　　2.定向冷凍方法制備的石墨烯氣凝膠有著很好的力學(xué)性能，明顯比冰箱冷凍所得到的氣凝膠力學(xué)強度要高，而且密度為6.1 mg/cm3的AGA的壓縮強度能達到14.1 kPa，這比文獻中所報道的其他的GA（密度相當時）的強度都高。進一步說明定

5、向冷凍方法使得石墨烯壁孔定向排列有助于其力學(xué)強度的增加。另外得到的石墨烯氣凝膠還具有很好的壓縮回彈性，經(jīng)過10次壓縮應(yīng)變50％的循環(huán)之后，仍能回到95％以上。由于所得到的石墨烯氣凝膠具有定向排列的孔壁，其在軸向方向和垂直于軸向方向上都有著不錯的壓縮回彈性，而且在空氣中和有機溶劑中都有著很高的回彈性。
　　3.由于石墨烯本身導(dǎo)電，制得的石墨烯氣凝膠的導(dǎo)電性隨著壓縮程度的變化可以使其在壓力傳感器和石墨烯壓敏系統(tǒng)方面有著不錯的應(yīng)用前景。