化學(xué)還原氧化石墨烯及其復(fù)合物的制備和應(yīng)用研究.pdf

1、石墨烯(Graphene)是由單層碳原子以六元環(huán)形式緊密堆積而成的二維片狀碳納米材料,具有理想的晶格結(jié)構(gòu)以及獨特的電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)等性質(zhì),在納米電子器件、生化傳感器、太陽能電池、超級電容器、鋰離子電池及復(fù)合材料等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前,石墨烯的主要制備方法包括:微機械剝離法、化學(xué)氣相沉積法、外延生長法、氧化石墨烯還原法等。其中,氧化石墨烯還原法具有工藝簡單、成本低、產(chǎn)率高等特點,是最有希望實現(xiàn)石墨烯批量生產(chǎn)的方法;但該方法存

2、在還原反應(yīng)不徹底,以及超聲剝離的石墨烯片層在還原及后續(xù)干燥過程中易重新堆疊、團聚等問題。鑒于此,本論文利用液氨-堿金屬體系還原氧化石墨烯,期望利用該非水體系來提高還原程度,減輕石墨烯的團聚;同時采用超聲輔助肼還原方法制備了具有較高還原程度的化學(xué)還原氧化石墨烯(Reduced Graphene Oxide,簡記為RGO)及其復(fù)合物。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1、采用液氨作為溶劑超聲剝離氧化石墨,利用液氨-堿金屬的強還原性使得堿金

3、屬進一步插層剝離氧化石墨,同時將其還原;采用透射電鏡、紅外光譜儀和 X射線衍射儀分析了產(chǎn)物的顯微形貌、化學(xué)結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu),并測定了其作為鋰離子電極材料的電化學(xué)性能。結(jié)果表明,采用低溫還原體系可有效地避免熱還原過程中石墨烯的重新團聚;得到的石墨烯片層厚度為2-5nm,且其大部分含氧基團被去除。與此同時,利用液氨-鋰還原得到的石墨烯在100mA/g電流密度下的首次放電比容量可達937.4mAh/g,在2000mA/g電流密度下50次循環(huán)后的

4、放電比容量從98.5mAh/g變?yōu)?04.6mAh/g。這表明制備的石墨烯作為鋰離子電極材料兼具有較好的倍率性能和循環(huán)性能。
　　2、在肼還原氧化石墨烯與鎳的前驅(qū)體的過程中引入輔助超聲波,制備得到鎳單質(zhì)-石墨烯復(fù)合材料(Ni@graphene sheets,簡記為NGS);利用X射線衍射儀和紅外光譜儀分析了產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu),并測定了產(chǎn)物的導(dǎo)電性和電磁性能。結(jié)果表明,肼在超聲波輔助條件下可以同時還原氧化石墨烯和二價鎳;鎳可抑

5、制石墨烯在還原過程中的團聚,而石墨烯反過來也可阻止鎳球的團聚。得到的NGS復(fù)合材料不僅保持了石墨烯大的比表面積,同時因鎳的引入而具有良好的導(dǎo)電性能、電磁性能、電化學(xué)性能、有機染料吸附性能,以及較好的微波吸收性能。
　　3、為了進一步提高復(fù)合材料對有機染料分子的吸附性能,在上述石墨烯/鎳復(fù)合物表面包覆氧化石墨烯,制備了具有新型結(jié)構(gòu)的石墨烯/鎳@氧化石墨烯(簡記為NGS@GO)復(fù)合材料,初步測定了其對有機染料分子的吸附性能。結(jié)果表明,