石墨烯基納米復合材料的制備及其在電化學中的應用.pdf

1、由單層碳原子構(gòu)成的具有理想二維結(jié)構(gòu)的石墨烯納米片，具有非常獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能，自發(fā)現(xiàn)已來就引起了全世界科研工作者的廣泛關(guān)注。石墨烯具有極大的比表面積，非常適合作不同形貌的納米材料載體，其極好的電導率可以提高復合材料的導電性能，使復合材料的不同組分充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)各個材料間的協(xié)同效應，彌補單一材料無法滿足各方面性能需求的缺點。目前有多種合成石墨烯復合材料的方法，其中電化學方法具有成本低、操作簡便、產(chǎn)物純度高等優(yōu)點，可以直接在碳糊

2、電極或泡沫鎳集流體等材料上直接生長獲得石墨烯復合材料。
　　本文主要從電化學生物傳感器和超級電容器兩個方面來研究石墨烯納米復合材料在電化學領(lǐng)域中的應用。首先直接將石墨烯固定到電極表面，研究石墨烯在電化學生物傳感器中的應用；然后用電化學方法在電極表面直接還原氧化石墨烯得到三維結(jié)構(gòu)的石墨烯材料，然后電沉積其他納米材料，得到三維石墨烯納米復合材料，以此作為超級電容器電極材料研究其電容性能。具體實驗內(nèi)容如下：
　　1.利用層層組裝的

3、方法構(gòu)建多層石墨烯/肌紅蛋白修飾電極，用殼聚糖將修飾材料固定在電極表面，測試肌紅蛋白在該修飾電極上的直接電化學行為。循環(huán)伏安掃描得到一對峰形良好的準可逆氧化還原峰，說明成功實現(xiàn)肌紅蛋白與電極界面之間的直接電子轉(zhuǎn)移。多層石墨烯納米片的存在為肌紅蛋白提供了較大的比表面積、良好的生物兼容性以及較高的電子轉(zhuǎn)移速率。該石墨烯/肌紅蛋白修飾電極對電催化三氯乙酸（TCA）有較好的結(jié)果，還原峰電流與TCA濃度在0.6～26.0 mmol/L之間呈線性關(guān)

4、系，檢測限為0.15 mmol/L(3σ)。
　　2.用電化學方法將氧化鋯（ZrO2）納米材料沉積到涂有石墨烯（GR）的離子液體修飾碳糊電極（CILE）表面，制備得到ZrO2/GR/CILE電極，然后將肌紅蛋白固定在ZrO2/GR/CILE電極表面。用掃描電鏡（SEM）和電化學方法表征電極，結(jié)果表明電極表面納米復合材料的存在增加了電極的比表面積。循環(huán)伏安測試出現(xiàn)一對準可逆的氧化還原峰，說明肌紅蛋白的直接電化學行為在電極表面得以實現(xiàn)

5、，這歸因于肌紅蛋白中的Fe(III)/Fe(II)氧化還原電對的典型電化學行為。電極表面ZrO2/GR納米復合材料的存在為肌紅蛋白提供特殊界面從而加速電子轉(zhuǎn)移。通過對電化學參數(shù)的計算研究了肌紅蛋白的直接電化學行為。在選定的條件下肌紅蛋白修飾電極對三氯乙酸表現(xiàn)出良好的電催化活性，具有較寬的線性范圍（0.4～29.0 mmol/L）和較低的檢測限（0.13 mmol/L(3σ)）。
　　3.通過恒電位沉積法在離子液體修飾碳糊電極（CI

6、LE）表面得到三維結(jié)構(gòu)的石墨烯（3DGR），然后通過恒電位法在3DGR/CILE電極表面沉積ZnO納米顆粒。通過掃描電鏡等手段對其形貌進行表征。以其作為超級電容器的電極材料，通過循環(huán)伏安法，恒電流充放電法和交流阻抗法等方法研究ZnO/3DGR納米復合材料的儲能機理和電容性能。該復合材料在電流密度為3 mA/cm2時的比電容為46.31 mF/cm2，并表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　4.通過恒電位沉積法在CILE電極表面快速制備Mn

7、O2/3DGR納米復合材料，利用掃描電鏡等手段表征其形貌。利用循環(huán)伏安法，恒電流充放電法和交流阻抗法等方法研究MnO2/3DGR納米復合材料的儲能機理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)石墨烯為載體可以克服MnO2納米顆粒單獨存在時導電性和循環(huán)穩(wěn)定性差等缺點。該復合材料在電流密度為3 mA/cm2時比電容為36.42 mF/cm2，經(jīng)過1000次循環(huán)充放電測試比電容保持率達104％左右，說明該復合材料具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　5.通過恒電位法在CILE表

8、面得到Co(OH)2/3DGR納米復合材料，掃描電鏡結(jié)果顯示Co(OH)2/3DGR納米復合材料呈現(xiàn)三維無序多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以極大增加材料與電解液間的接觸面積。以其作為超級電容器的電極材料，通過電化學方法研究Co(OH)2/3DGR納米復合材料的儲能機理。該電極材料在電流密度為5 mA/cm2時比電容為730.23 mF/cm2，在大電流密度下進行3000次循環(huán)充放電時比電容保持率達80%，說明該納米復合材料具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，是一種