石墨烯體相材料的制備及其在儲能和光驅(qū)動領(lǐng)域的應(yīng)用.pdf

1、石墨烯作為一種二維碳納米材料，具有諸多優(yōu)異性質(zhì)，能夠滿足多種應(yīng)用對新材料的需求。同時，許多實(shí)際應(yīng)用需要成本低、可大量制備、宏觀體相的石墨烯材料，唯有如此，才能夠既充分發(fā)揮石墨烯優(yōu)異的本征性質(zhì)，滿足使用需求，同時又進(jìn)一步將石墨烯材料的應(yīng)用實(shí)際化和廣泛化。在本論文中，我們基于這些思考，以能夠大量制備的氧化石墨烯為原料，以應(yīng)用場景對材料的要求為導(dǎo)向，充分發(fā)揮石墨烯自身的特點(diǎn)，制備得到了數(shù)種形貌、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)均有所差別又滿足需求的基于石墨烯的宏觀

2、體相材料，并研究了這些材料作為電極材料在鋰離子電容器以及作為功能材料在光致驅(qū)動等領(lǐng)域的應(yīng)用及表現(xiàn)。
　　1.正負(fù)極均基于石墨烯材料的高性能鋰離子電容器的設(shè)計與性能研究。我們研究了以氧化石墨烯和酚醛樹脂前體作為原料制備得到的基于石墨烯的多孔體相材料PF16在鋰離子電解液中的電化學(xué)表現(xiàn)，其作為一種優(yōu)秀的電化學(xué)雙電層電極材料適合充當(dāng)鋰離子電容器的正極。我們利用氧化石墨烯薄膜的光致還原制備得到了石墨烯材料FRGO，并發(fā)現(xiàn)其具有儲鋰容量大，

3、倍率性能好，庫倫效率高，循環(huán)壽命長等特點(diǎn)，適合作為鋰離子電容器的負(fù)極材料。利用PF16和FRGO分別作為正極材料和負(fù)極材料裝配得到的鋰離子電容器，最大工作電壓可達(dá)4.2V，能量密度可達(dá)71.5～148.3Wh/kg，功率密度可達(dá)141～7800W/kg，3000周完全充放電循環(huán)后容量保持率約80％。這種基于石墨烯的鋰離子電容器全面而優(yōu)異的表現(xiàn)使其在諸如消費(fèi)電子產(chǎn)品和混合電動車等領(lǐng)域具有廣泛的潛在應(yīng)用價值。
　　2.三維化學(xué)交聯(lián)石墨

4、烯宏觀體相材料的制備及其光致驅(qū)動效應(yīng)的研究。我們使用氧化石墨烯作為原料制備得到了一種多功能化的三維化學(xué)交聯(lián)的宏觀體相石墨烯材料——石墨烯海綿，其具有超高的孔隙率，比空氣更小的密度以及優(yōu)異的機(jī)械性能。真空環(huán)境下，宏觀的石墨烯海綿在瓦特級別的激光的照射下能夠被水平推動甚至豎直舉起，也能夠高速旋轉(zhuǎn)。使用足夠光強(qiáng)的短弧氙燈以及聚焦的普通太陽光，同樣也能夠達(dá)到類似的效果。我們發(fā)現(xiàn)石墨烯海綿的運(yùn)動速度/高度/轉(zhuǎn)速等都與光的功率以及光的波長之間存在著

5、定量關(guān)系。在上述結(jié)果的基礎(chǔ)上，我們對這一新穎現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行了研究。我們認(rèn)為石墨烯海綿這一體相材料可以看作是由數(shù)以百萬計的相互絕緣相互孤立的懸空的石墨烯片“加和”在一起的宏觀材料，不同于一般的體相石墨材料，作為結(jié)構(gòu)單元的石墨烯片層之間沒有強(qiáng)相互耦合，而是保留了石墨烯眾多的優(yōu)良、獨(dú)特的性能，包括其獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)和特異的光電性質(zhì)等。也正是由于這些原因使得我們獲得的石墨烯體相材料在光的照射下能夠有效地吸收光子，并依照類 Auger效應(yīng)發(fā)射大量電

6、子從而獲得反作用并驅(qū)動樣品。這一工作能夠作為實(shí)例，啟發(fā)如何利用其它的二維材料來開發(fā)具有特殊性質(zhì)的宏觀體相材料的相關(guān)工作。同時，其也能應(yīng)用于諸如電子發(fā)射源、光檢測裝置、宏觀尺度的光操縱、空間飛行器的直接光驅(qū)動等具體實(shí)用領(lǐng)域。
　　3.（2，2）碳納米管的制備。我們利用有機(jī)模板劑分子二丙胺在分子篩孔道中的高溫?zé)峤馓峁┨荚?，首次在SAPO-41分子篩以及AlPO4-41分子篩的孔道中制備得到了極小直徑的（2，2）單壁碳納米管。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表