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        三維多孔摻雜石墨烯的制備研究

        2017-12-11 08:28:40武兆堃李鑫張海洋楊文耀楊亞杰
        科技視界 2017年25期
        關(guān)鍵詞:超級(jí)電容器多孔結(jié)構(gòu)水熱法

        武兆堃 李鑫 張海洋 楊文耀 楊亞杰

        【摘 要】本文在不同的PH值下采用水熱還原法,制備了三維多孔石墨烯電極材料。通過掃描電鏡(SEM)、氮?dú)馕摳剑˙ET)等方法表征分析了材料的微觀形貌及比表面積;通過物理承重測(cè)試,測(cè)試了材料的機(jī)械性能。結(jié)果表明,當(dāng)PH值為11時(shí),制備的三維多孔石墨烯具有較好的微觀性能,呈現(xiàn)出微觀多孔結(jié)構(gòu),具有較大的比表面積(BET多點(diǎn)比表面積792.91m2/g)及良好的機(jī)械性能(承受較大壓力時(shí)無明顯形變)。

        【關(guān)鍵詞】三維石墨烯,多孔結(jié)構(gòu),水熱法,電化學(xué),超級(jí)電容器

        0 引言

        石墨烯是由單層碳原子組成的新型二維碳納米材料[1-3],因其眾多獨(dú)特而優(yōu)異的理化特性,已成為近年來材料科學(xué)領(lǐng)域中最耀眼的明星材料。通過制備不同微納米結(jié)構(gòu)的三維石墨烯材料,可有效調(diào)控石墨烯的電學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、機(jī)械和催化特性。近期研究發(fā)現(xiàn),基于三維石墨烯構(gòu)建的功能器件在儲(chǔ)能、環(huán)境、傳感及生物分析領(lǐng)域表現(xiàn)出更為突出的性能[4-6]。

        本文在以氧化石墨烯溶膠(GO)為前驅(qū)體,PH采用水熱還原法將不同PH值的GO還原成三維多孔石墨烯(3DGN)。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 氧化石墨烯分散液的制備

        本實(shí)驗(yàn)采用改進(jìn)的hummers法制備了GO溶膠,并稱取一定量GO溶膠,以去離子水為稀釋劑,通過磁力攪拌、超聲分散將其稀釋成2mg/mlGO分散液。

        1.2 三維多孔石墨烯的制備及測(cè)試

        課題組以氨水為酸堿度調(diào)節(jié)劑,分別制備了PH值為3.2、7、9、11的GO分散液。并通過水熱反應(yīng)法[7-8],在180℃高溫下,將上述四種GO分散液還原成3DGN(如圖1所示),所獲得的樣品分別記為PH-3.2、PH-7、PH-9、PH-11。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 結(jié)構(gòu)表征分析

        (a)PH-3.2 (b)PH-7 (c)PH-9 (d)PH-11

        圖1 不同PH值制備的三維多孔石墨烯

        不同PH值條件下,制備的3DGN呈現(xiàn)出不同的外觀特征:在酸性條件下(PH-3.2),石墨烯破碎,不具有立體結(jié)構(gòu)(見圖1(a)));中性條件下(PH-7),石墨烯具有較好立體結(jié)構(gòu),但有部分散亂的碎片出現(xiàn)(見圖1(b));在相對(duì)弱堿性條件下(PH-9),所制的石墨烯具有完整的圓柱體結(jié)構(gòu),且體積明顯大于中性條件下所制備的石墨烯(見圖1(c));在相對(duì)強(qiáng)堿性條件下(PH-11),三維石墨烯也呈現(xiàn)出完整的圓柱體結(jié)構(gòu)(見圖1(d)),且表面光滑,具有最大的體積,說明當(dāng)PH值為11時(shí),所制備的石墨烯具有良好的三維結(jié)構(gòu)。

        圖2為堿性條件(PH-11)下所制備得到的石墨烯掃描電鏡圖。從圖2a中可以很清楚的看到產(chǎn)物具有石墨烯的片層結(jié)構(gòu),從放大圖(圖2b)中可以更加清晰的看到石墨烯的片層褶皺結(jié)構(gòu),說明已經(jīng)成功制備出了石墨烯。從圖2中,還能發(fā)現(xiàn),石墨烯材料具有明顯的孔洞結(jié)構(gòu),說明石墨烯材料具有較大的比表面積。

        (a)3DGN(PH-11)氮?dú)馕摳角€圖 (b)3DGN(PH-11)孔徑分布圖

        通過對(duì)3DGN(PH-11)的BET多點(diǎn)比表面積分析,測(cè)試出該材料的比表面積為792.91m2/g;通過孔徑分析,發(fā)現(xiàn)3DGN(PH-11)的孔徑主要分布在2~5nm區(qū)間,說明3DGN(PH-11)的確具有較大的比表面積,這與SEM分析結(jié)果一致。

        2.2 力學(xué)性能測(cè)試

        (a)無重物(b)1片玻璃板(c)4片玻璃板(d)7片玻璃板

        為研究3DGN的機(jī)械性能,采用相同條件下所制備了4組3DGN(PH-11)。在4個(gè)相同且等距的3DGN上放置具有一定質(zhì)量的物體,測(cè)試其機(jī)械性能:首先在其上添加一片玻璃板,發(fā)現(xiàn)其并沒有較大的形變(圖4b);添加4片玻璃板后,基本無形變(圖4c);添加7片玻璃板后(圖4d),3DGN仍然無明顯形變出現(xiàn)。證明了PH為11條件下制備的3DGN具有良好的機(jī)械性能。

        3 結(jié)論

        本文通過改變水熱反應(yīng)法前驅(qū)體氧化石墨烯的PH值,制備了不同的三維多孔石墨烯,當(dāng)PH值為11時(shí),三維多孔石墨烯表現(xiàn)出較好的綜合性能,呈現(xiàn)出微觀多孔結(jié)構(gòu),其比表面積為792.91m2/g;能承受較大壓力,無明顯形變,具有良好的機(jī)械性能,說明該材料具有較好的應(yīng)用前景。

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]朱華瑞.石墨烯基復(fù)合材料的性能及其應(yīng)用研究[D]. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 2014.

        [2]Su P, Guo H L, Peng S, et al. Preparation of Nitrogen-Doped Graphene and Its Supercapacitive Properties[J].ACTA PHYSICO-CHIMICA SINICA, 2012, 28(28):2745-2753

        [3]李晨,張熊,等.三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)在超級(jí)電容器中的應(yīng)用[J].新型炭材料,2015,30(3):193-206.

        [4]常靖,岳紅彥,等.三維石墨烯材料的制備及在超級(jí)電容器中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].化工新型材料,2016(2):9-11.

        [5]高嵩.基于新型三維石墨烯的制備與應(yīng)用研究[D].遼寧大學(xué),2013.

        [6]石微微,晏菲,等.三維石墨烯材料制備方法的研究進(jìn)展[J].化學(xué)通報(bào),2013,76(11):988-993.

        [7]徐麗,劉雙宇,等.三維石墨烯電極材料在鋰離子電池中的應(yīng)用[J].智能電網(wǎng),2017,5(1):94-98.

        [8]張靈敏,郭新立,等.三維石墨烯的水熱法制備及其吸附性能研究[J].功能材料,2014,45(s2):73-75.endprint

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