三维多孔石墨烯复合材料的气泡模板制备方法及其电化学性能研究

作     者：杨晓青 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘安然;刘松琴

授予年度：2015年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：气泡模板 石墨烯电极 石墨烯/聚吡咯 氮掺杂 电化学 

摘      要：石墨烯具有超大比表面积、良好的导电性以及优异的化学／电化学稳定性,是电子器件、电化学催化和能量储存及转化等应用领域理想的电极材料。然而由于石墨烯片层之间的π-π相互作用,石墨烯之间容易发生堆叠现象,从而减小石墨烯材料的比表面积和导电性,限制了其作为电极材料的应用。将具有纳米尺寸的二维石墨烯组装成高级有序的三维结构,不仅可以极大保留石墨烯的各种优异性能,还可以通过调控其结构和形貌获得更多的功能和应用。本论文以石墨烯的三维组装及其电化学性能研究为主题,以氧化石墨烯作为基本构筑单元,通过气泡模板法先后构筑具有三维多孔结构的还原石墨烯、石墨烯/吡咯、氮掺杂石墨烯组装体,探索了组装机制并研究了它们在超级电容器和电化学催化氧还原应用中的电化学性质。主要研究内容和结果如下：(1)以溶液中的氢气泡作为软模板,通过在不同的导电基片上电化学还原沉积制备了具有三维多孔结构的还原石墨烯电极材料,探索了在氢气泡导向下三维多孔石墨烯组装体的形成机制,探索了沉积时间、沉积电压、表面活性剂的浓度对于该三维多孔石墨烯组装体结构和形貌的影响。通过扫描电子显微镜、拉曼光谱、x射线光电子能谱、电化学等表征手段,研究了三维石墨烯的还原程度、结构组成以及电化学性质。(2)以第一个工作制备得到的三维大孔石墨烯电极作为工作电极,电化学聚合吡咯,制备石墨烯/吡咯三维多孔复合材料。复合材料中石墨烯/吡咯的含量比可以通过改变电化学聚合时间进行调控。由于石墨烯的三维导电框架,石墨烯/吡咯复合材料在超级电容器性能测试中展现出了大的面积比电容(196 mF/cm2,1 mA/cm2)以及快速充放电的能力。将该复合材料电极成功的组装成器件,可以使商用的红色LED灯发光。(3)将第二个工作得到的石墨烯/吡咯复合材料进行高温煅烧,制备具有三维多孔结构的氮掺杂石墨烯材料,石墨烯材料中氮元素含量和形式可由煅烧温度控制。制备得到的氮掺杂三维多孔石墨烯可以作为电化学催化氧还原反应的催化剂。其中,800℃温度下煅烧的氮掺杂石墨烯在氧还原催化反应中遵循四电子转移过程,具有最大电流密度(5.56mA/cm2)和最正初始电位(-0.132 V vs Ag/AgCl)。