三维石墨烯能源器件的结构调控和性能优化研究

作     者：王卓越 

作者单位：兰州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张强强

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：石墨烯 3D打印 结构调控 能源器件 

摘      要：石墨烯材料自被发现以来,因其具有出色的电化学性能、力学性能、超大比表面积和优异的电导率的独特结合而改变了传统的能源电子领域。然而,在石墨烯的诸多应用领域中,因宏观化过程中容易产生结构缺陷,其力学、热学以及电化学性能的发挥仍然十分有限。本文从结构设计和调控的角度入手,旨在满足研究和实际应用中对高性能石墨烯电子能源器件结构特性日益增长的需求,借助计算机辅助设计以及增材制造(3D打印)技术,开发了采用拓扑优化的结构设计并基于自下而上的3D打印方法,实现了在电化学储能、光热转化器件等领域对石墨烯气凝胶(Graphene Aerogel,GA)材料进行了跨尺度的结构设计、调控和制备,并深入讨论其在电化学储能以及太阳能转化领域的应用前景。主要内容概括如下:立足于金属钠电极的循环稳定性问题,采用计算机辅助设计、有限元分析结合3D打印的方法,设计并制备了一系列三维多孔电极支架材料,优化金属电池内部电流密度分布,控制枝晶生长和金属钠沉积,形成力学、电化学稳定的金属复合材料电极。这种方法通过优化电极结构设计来调节电流密度分布,并呈现出极高的循环稳定性,延长了复合电极的循环寿命,在金属电池领域具有很高的实际应用价值。提出了一种基于一体化设计制备,仅由氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)作为原始材料制备的柔性三明治结构超级电容器。优化设计的三维多级孔结构在保证良好的导电性的同时,提供了有效的动能吸收能力。GO作为电解质网络,展现出与还原氧化石墨烯(reduced Graphene Oxide,r GO)气凝胶电极之间的相容性和高效质子传导,对复杂环境下的电化学储能具有重要意义。受自然界绿色植物蒸腾作用和人工折纸的多级结构的启发,开发了一种三维r GO太阳能蒸汽发生器件(GOSG)。这一器件基于三维优化结构设计的3D打印和化学改性相结合,发挥多尺度结构优化和含氧官能团化学修饰的优势,实现了宽光谱太阳光吸收、快速水传输、热限域和蒸汽逸散等性能的协同提升。并且开发了模块化的器件原型,具有优异的水蒸发效率和长时间多次循环寿命,在海水淡化和污水净化领域具有广阔应用前景。