三維石墨烯的制備及其應(yīng)用研究.pdf

1、石墨烯是由碳原子通過sp2雜化構(gòu)成的具有蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的單原子層二維納米材料。具有獨(dú)特的電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)以及機(jī)械性能?；谑?gòu)建具有三維多孔結(jié)構(gòu)的宏觀結(jié)構(gòu)體對于拓展石墨烯在能量存儲領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。三維石墨烯是基于石墨烯構(gòu)建的多孔結(jié)構(gòu)，與二維石墨烯相比，具有更高的比表面積、高導(dǎo)電性以及高機(jī)械性能等優(yōu)點(diǎn)。在超級電容器領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。將三維石墨烯與具有高理論電容、環(huán)保、成本低等優(yōu)勢的贗電容電極材料MnO2復(fù)合可以發(fā)揮兩者的協(xié)

2、同作用，有望獲得更高的儲能性能。
　　本研究首先分別采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)和氧化還原法制備三維石墨烯，系統(tǒng)探討鎳箔、銅箔以及泡沫鎳基底對化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯質(zhì)量的影響及其規(guī)律，在此基礎(chǔ)上利用恒電流電沉積技術(shù)制備化學(xué)氣相沉積三維石墨烯/MnO2復(fù)合材料并研究電沉積工藝對復(fù)合材料電容性能的影響。進(jìn)而利用氧化石墨烯通過一步水熱法制備還原氧化石墨烯水凝膠及還原氧化石墨烯/MnO2復(fù)合水凝膠并研究MnO2負(fù)載量對復(fù)合水凝膠電容性能

3、的影響。利用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、拉曼光譜儀（Raman）、透射電子顯微鏡(TEM)、X射線衍射儀(XRD)對石墨烯、MnO2及其復(fù)合材料的形貌與結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并利用電化學(xué)工作站測試復(fù)合材料電容性能。主要結(jié)果如下:
　　(1)以泡沫鎳為基底，采用CVD制備三維石墨烯，當(dāng)生長時間為10min時，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計的甲烷濃度范圍內(nèi)(1vol％、2vol％、4vol％)獲得了具有較高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的多層石墨烯形成的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)

4、。
　　(2)以銅箔為基低，經(jīng)電化學(xué)拋光后，獲得了平整的銅箔表面，采用CVD，降低了石墨烯的非均勻形核，提高了石墨烯結(jié)晶性。H2/CH4流量比為20時石墨烯的結(jié)晶性較差，當(dāng)H2/CH4流量比為40時在拋光銅箔基底表面獲得了規(guī)則六邊形單層石墨烯。
　　(3)恒電流電沉積MnO2并與CVD三維石墨烯復(fù)合可以有效降低復(fù)合材料的等效串聯(lián)電阻，發(fā)揮兩者的協(xié)同效應(yīng)。當(dāng)恒電流電沉積時間為15min時，獲得了最好的比電容以及倍率性能，電流密

5、度為1.5Ag-1時比電容為265Fg-1，電流密度增加到4Ag-1時其比電容僅下降了6.4％。
　　(4)利用水熱法一步合成還原氧化石墨烯水凝膠以及還原氧化石墨烯/MnO2復(fù)合水凝膠具有簡單、環(huán)保、易操作等優(yōu)勢。MnO2負(fù)載量較少時有利于發(fā)揮還原氧化石墨烯與MnO2之間的協(xié)同效應(yīng)，當(dāng)MnO2負(fù)載量為10mg時，在1.5Ag-1恒電流充放電條件下復(fù)合水凝膠的比電容達(dá)到175Fg-1，具有最好的比電容以及倍率性能。隨著MnO2負(fù)載量