功能性石墨烯基復(fù)合材料的研究.pdf

1、石墨烯具有獨特的二維(2-D)納米結(jié)構(gòu)，可作為其他碳質(zhì)材料（金剛石、石墨、碳納米管等）的基本組成單元。石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)賦予了其高強度，優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能以及高比表面積，有廣闊的潛在應(yīng)用前景，因而受到了廣泛的關(guān)注。目前，石墨烯/聚合物復(fù)合材料是石墨烯領(lǐng)域的研究熱點之一，然而石墨烯具有高各向異性比，高表面能，容易發(fā)生團聚，在聚合物基體中難以均勻分散，而且石墨烯表面活性低，與基體的界面結(jié)合力弱，因此提高石墨烯在聚合物中的分散性是石墨烯/聚合

2、物復(fù)合材料制備的關(guān)鍵因素。此外，制備具有特殊結(jié)構(gòu)的石墨烯/無機物復(fù)合材料，使材料具有較高電容、高倍率性能、循環(huán)性能以及較高的功率密度和能量密度，在如今對能源綜合利用、環(huán)境保護顯得尤為重要。本論文主要從石墨烯衍生物的宏觀新型結(jié)構(gòu)設(shè)計及組裝性能調(diào)控、與聚合物材料的復(fù)合以及其與無機金屬氧化物和氫氧化物的自組裝等方面制備石墨烯復(fù)合材料，并對其力學(xué)性能、吸波性能以及電化學(xué)性能進行深入分析研究。具體研究內(nèi)容主要有:
　　 通過溶液共混法制備

3、氧化石墨烯(G-O)/氫化羧基丁腈橡膠(HXNBR)復(fù)合材料。以由天然石墨作為原材料，通過改良的Hummers方法將其氧化制備氧化石墨(GO)，在N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中超聲分散后，單層G-O厚度是0.9nm，寬度和長度分別約為2.5μm和3μm;G-O的DMF分散液可以和HXNBR的四氫呋喃(THF)溶液進行均勻混合。當(dāng)加入0.44vol％G-O片層時，HXNBR的拉伸強度和200％定伸模量分別提高超過50％和100％。力學(xué)性

4、能的提高可能主要是源自于G-O片層中的含氧官能團和HXNBR中的羧基的氫鍵相互作用而有較強的界面相互作用。此外，在加入1.3vol％的G-O片層時，HXNBR的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高。這一結(jié)果同樣表明G-O片層的均勻分散以及和基體間較強的界面相互作用使其對HXNBR具有有效的補強作用。
　　 通過簡單的水溶液共混的方法制備化學(xué)還原石墨烯(CR-G)/聚氧化乙烯(PEO)復(fù)合材料。通過改良的Hummers方法制備了GO，并將其超聲分散

5、于水中得到G-O，所得的G-O和PEO進行共混后用抗壞血酸(L-AA)對G-O進行原位還原，還原后得到的單片CR-G片層厚度為約1nm，長度和寬度均約為1.5μm，表明得到的還原石墨烯片層依然具有高的比表面積(約1500)。由于G-O和PEO之間的氫鍵相互作用，G-O可以以分子級分散于PEO中，在之后的還原過程，PEO分子鏈可以起到阻隔劑的作用防止CR-G的重新堆疊。導(dǎo)電CR-G在PEO基體中均勻的分散，得到CR-G/PEO復(fù)合材料具有

6、高介電常數(shù)。CR-G/PEO復(fù)合材料(2.6vol％)具有高的微波吸收性能，最低反射率是-38.8dB。CR-G片層在聚合物基體中可以形成大量的導(dǎo)電路徑可以對微波能進行耗散成熱能，耗散作用還與大的CR-G/PEO界面引起的界面散射有關(guān)。
　　 通過水熱法制備G-O/SnO2水凝膠。所得水凝膠在經(jīng)過冷凍干燥和熱還原后得到了熱還原石墨烯(TR-G)/SnO2氣凝膠，這種材料可以作為獨立電極應(yīng)用于鋰離子電池(LIBs)領(lǐng)域，不需要額外

7、加入粘合劑和集流體，因此材料極輕且導(dǎo)電性高，是理想的電極材料。在掃描電流密度為100mAg-1時，此電極具有高的可逆電容值達550mAhg-1，在充放電過程循環(huán)10圈以后，庫倫效率保持在98％以上，具有非常好的可逆性，該電極在充放電循環(huán)100圈以后，電容值仍保持在490mAhg-1以上。此外，材料還具備高的倍率性能，當(dāng)掃描電流密度升高到800mAg-1時，可逆電容仍然保持在141mAhg-1。材料高的性能主要是源自于TR-G的特殊的3-

8、D導(dǎo)電結(jié)構(gòu)和SnO2在其表面的均勻生長，使得離子和電子在電解質(zhì)和電極之間有快速的傳輸，同時TR-G的3-D結(jié)構(gòu)為充放電過程Li+的插入和脫出提供緩沖空間，保證電極的完整性不會粉化。
　　 制備了可以用于非對稱電化學(xué)電容器(EC）的電極兩種新型復(fù)合材料。正極由泡沫石墨(GF)以及長在上面的Co(OH)2組成，這種電極是獨立電極，不需要額外加入粘合劑和集流體。因此這種材料非常輕并且具有高導(dǎo)電性，是理想的電極材料。Co(OH)2是在水

9、相中長在GF表面的，用三電極法測得這種電極的比電容是966F/g(掃描速率為5mVs-1)，高的比電容主要是因為GF的高的電導(dǎo)率和特殊的3-D結(jié)構(gòu)，這種3-D結(jié)構(gòu)可以促進電解液與Co(OH)2接觸。負極材料使用的是活化的微波剝離的氧化石墨(a-MEGO)，這種材料具有多孔結(jié)構(gòu)，利于電子和離子的傳輸。經(jīng)過優(yōu)化計算，組裝了以GF/Co(OH)2為正極、a-MEGO為負極的非對稱電化學(xué)電容器，這種電容器在KOH中進行了兩電極測試，此電化學(xué)電容