基于石墨烯三維網(wǎng)絡結構的電極設計及其相關電化學性能研究.pdf

1、石墨烯是一種具有極高理論比表面積的碳材料，它擁有高導電性、高化學惰性、高熱穩(wěn)定性和出色的機械性能等顯著優(yōu)點，因此，它在眾多領域均具有廣泛的應用，諸如能量儲存與轉(zhuǎn)化、催化應用以及熱管理等領域。特別地，由于石墨烯的高導電性、高化學穩(wěn)定性和出色的機械性能，它通常在能量儲存與轉(zhuǎn)化和催化領域被用作優(yōu)秀的電極基底，不過，目前為止絕大多數(shù)石墨烯的研究與應用均是基于它的粉體形式，從而存在著一系列的問題，比如多步驟、復雜和耗時的電極制備過程，且可能需要N

2、afion來固定電極上的催化劑，而且缺乏一定的溶液擴散通道、缺乏催化劑對電解質(zhì)的充分暴露和接觸，以及缺乏對電化學電極上催化劑的精確定量等等。
　　而石墨烯三維網(wǎng)絡結構（G3DN）可以完美地克服粉體形式石墨烯的諸多缺點，不僅保留了石墨烯高比表面積、出色的導電性和電化學穩(wěn)定性等石墨烯自身的優(yōu)點，還擁有電極制備極為簡單、豐富的三維電解液擴散孔道、電極結構穩(wěn)定性好無需Nafion作為催化劑固定膜等獨特優(yōu)勢。于是，本文選取G3DN作為研究對

3、象，制備出G3DN并基于它構建了性能出色的甲醇乙醇電催化電極、葡萄糖檢測電極和電化學儲能電極，且基于這些電極拓展了電化學電極的種類和制備方法。
　?、僭诠枰r底上生長了G3DN，并在G3DN上擔載鉑納米顆粒用于甲醇和乙醇的電催化氧化。鉑納米顆粒在G3DN上的可控擔載通過一種簡單、可重復和環(huán)境友好的方法完成。G3DN對電催化活性的影響用擔載了同樣量鉑納米顆粒的商業(yè)粉體石墨烯（CGS）做了對比研究。Pt/G3DN（0.01 mg cm-

4、2）電極對甲醇和乙醇均展現(xiàn)了極好的電催化活性，對它們的電催化氧化峰電流分別是910.11 mA mg和246.69 mA mg，這是由于Pt/G3DN電極高密度的三維活性位點、波浪形石墨烯片三維網(wǎng)絡通道以及鉑納米顆粒和石墨烯的協(xié)同效應。該電極正向和反向電勢掃描得到的氧化峰電流密度的比值對于甲醇和乙醇分別是2.79和0.65。這些結果揭示了Pt/G3DN電極優(yōu)異的特性，如易制備、高催化活性、高穩(wěn)定性和對甲醇電催化氧化的高耐毒性。
　

5、?、谟捎谄咸烟堑拇呋趸豢赡馨l(fā)生在催化劑的表面上，所以增大催化劑的比表面積是獲得高催化性能的有效途徑之一。于是，本文發(fā)展了一個極為簡單卻非常有效的方法來制備了高靈敏度且無Nafion固定膜的無酶葡萄糖傳感器電極，即通過在生長于柔性碳紙（CP）上的G3DN上原位沉積Cu2O納米顆粒而制得，且它所擔載的催化劑可以精確定量。并通過制得的傳感器電極Cu2O/G3DN/CP獲得了極為出色的葡萄糖傳感性能，如靈敏度和響應時間分別是(2.31±0.

6、03)×103μA mM-1 cm-2和1.6 s，檢測極限是0.14±0.01μM，線性范圍為0.48μM~1813μM等。此外，該傳感器表現(xiàn)出了良好的性能穩(wěn)定性，在10日之后靈敏度依然保持了初始值的95.5％。特別地，由于Cu2O納米顆粒可以精確定量地沉積在G3DN上，這有利于公共健康領域和工業(yè)上傳感器的大規(guī)模生產(chǎn)和其性能的精確控制。此外，這里制備葡萄糖傳感器電極Cu2O/G3DN的方法可以應用到其他類似的電化學傳感器。
　　

7、③由于法拉第氧化還原反應主要發(fā)生在氧化還原贗電容材料的表面，所以增大氧化還原贗電容材料的比表面積是一個獲得優(yōu)異電化學儲能性能的有效途徑。于是，本文發(fā)展了一個無粘合劑的三維構架電極用于高倍率電化學儲能，該電極是由一個通過化學氣相沉積方法直接在可彎曲的碳紙上生長的G3DN和在石墨烯上原位熱分解生長的NiO納米顆粒組成，記為NiO/G3DN/CP，它具備大比表面積和快速電子轉(zhuǎn)移通道。該電極獨特的結構設計使其獲得杰出的性能，在電流密度為0.5

8、mA cm-2(0.67 A g-1)同時NiO納米顆粒擔載量為0.7471 mg cm-2的條件下獲得了89.1 mAh cm-2(119.2 mAh g-1)的比容量。同時，該電極展示了出色的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，在深放電3000次之后依然擁有初始容量的85.5%。此外，基于NiO/G3DN/CP電極我們制作了面積為4cm2固態(tài)對稱型電化學電容器，兩個這種電容器串聯(lián)可以點亮100盞綠色發(fā)光二極管（LED）2分鐘。G3DN擔載納米Ni