多孔石墨烯-氧化物復(fù)合材料制備及電化學(xué)性能研究.pdf

1、石墨烯具有獨特的二維結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的理化性質(zhì)，是一種具備巨大應(yīng)用潛力的新型納米碳質(zhì)材料。然而單一的石墨烯材料很難充分滿足各個領(lǐng)域的應(yīng)用需求，且石墨烯片層容易堆疊和團(tuán)聚，制約了其實際應(yīng)用的發(fā)展。通過摻雜、改性、組裝和復(fù)合等手段制備石墨烯衍生物及石墨烯納米復(fù)合物等石墨烯基材料可以豐富并優(yōu)化石墨烯的性質(zhì)，拓展并提升石墨烯的性能，對于促進(jìn)石墨烯的實際應(yīng)用具有重大意義。作為一種新型石墨烯衍生物，多孔石墨烯以其二維片狀結(jié)構(gòu)、超高比表面積、開放的能帶間隙

2、、豐富的活性位點等特性吸引了研究者的很大關(guān)注。本文以多孔石墨烯為研究對象，證實了催化氧化法及氫氧化鉀活化法對石墨烯片層的造孔作用，發(fā)展了多種二維及三維多孔石墨烯基材料的制備方法，在此基礎(chǔ)上研究了多孔石墨烯的形貌調(diào)控及合成機(jī)理，對產(chǎn)物，尤其是通過催化氧化法得到的多孔石墨烯/金屬氧化物復(fù)合材料作為氧還原催化劑、超級電容器電極材料、鋰離子電池負(fù)極材料、鋰硫電池正極材料的應(yīng)用表現(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)探討。
　　采用一步原位造孔方法制備了多孔石墨烯/

3、Mn3O4片狀復(fù)合物材料，該材料以毗鄰分布的顆粒和孔洞為結(jié)構(gòu)特征。以氧化石墨烯和高錳酸鉀為前驅(qū)體，利用催化氧化法同步完成石墨烯片層的造孔及復(fù)合，石墨烯片層上毗鄰的孔洞和顆粒的密度和大小可以通過改變熱處理溫度、時間或錳前驅(qū)體的用量調(diào)節(jié)。研究也證明孔的形成與氧化石墨烯中含氧官能團(tuán)密切相關(guān)，相對應(yīng)的，將氧化石墨烯換作石墨烯為前驅(qū)體，同樣的過程很難得到多孔石墨烯。復(fù)合物中孔洞和顆粒成對毗鄰分布，組分間存在很強(qiáng)的相互作用，這一特殊結(jié)構(gòu)促進(jìn)了電解液

4、及氧氣的擴(kuò)散，利于Mn3O4電化學(xué)活性的發(fā)揮，因此多孔石墨烯/Mn3O4納米復(fù)合物作為氧還原催化劑及超級電容器電極材料均表現(xiàn)出優(yōu)于無孔的石墨烯/Mn3O4納米復(fù)合物的性能，顯示了毗鄰孔與顆粒的引入對石墨烯復(fù)合物電化學(xué)性能的明顯提升作用。
　　進(jìn)一步將片層造孔方法引入三維結(jié)構(gòu)的石墨烯基宏觀體，得到兼具片層孔和片間孔的石墨烯基三維材料。將水熱法與氫氧化鉀活化法相結(jié)合，制備得到了片層多孔的活化石墨烯宏觀體材料；從組成、結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化的角

5、度導(dǎo)向性設(shè)計并制備了片層多孔石墨烯/Fe2O3三維納米復(fù)合材料，這一復(fù)合材料在組成上包括了多孔石墨烯和Fe2O3納米顆粒兩種電活性物質(zhì)，在結(jié)構(gòu)上結(jié)合了片層多孔、片間孔道及片與顆粒的復(fù)合等特點，在性質(zhì)上兼具了高電子離子傳輸效率、多電化學(xué)活性位點、高電化學(xué)反應(yīng)活性等優(yōu)勢，在氧還原催化劑及鋰離子電池、鋰硫電池等領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用表現(xiàn)。
　　利用化學(xué)組裝方法得到了石墨烯/錳復(fù)合水凝膠，對凝膠的形成機(jī)制及凝膠的形成與體系蒸發(fā)速率之間的關(guān)系做