帶狀石墨烯納米復合材料的制備及其性能研究.pdf

1、帶狀石墨烯是一種由碳原子緊密堆積而成的準一維納米碳材料，最初是由科學家Fujita等人作為理論模型來研究邊緣結(jié)構(gòu)和尺寸效應(yīng)對石墨烯材料的影響，自2008年Levente等人通過掃描隧道顯微鏡光刻技術(shù)實現(xiàn)帶狀石墨烯的制備以來，已經(jīng)吸引了很多科學研究者的密切關(guān)注。帶狀石墨烯不僅具有二維石墨烯片層結(jié)構(gòu)所擁有的良好物理化學性能，而且因為擁有特殊的邊緣結(jié)構(gòu)而具有特殊的邊緣效應(yīng)。隨著寬度的逐漸降低，帶狀石墨烯的帶隙被逐漸打開，電子能態(tài)可以從半導體逐

2、漸變?yōu)閷w。而且?guī)钍┚哂辛己玫拈L徑比和完整的平面結(jié)構(gòu)。這些特性使其成為納米材料領(lǐng)域的一顆新星。但是帶狀石墨烯在實際應(yīng)用過程中也存在著易于團聚，單組份性能較低等缺點，從而在很大程度上限制了它的應(yīng)用。利用其他功能性納米材料對帶狀石墨烯進行雜化處理，構(gòu)筑具有多級結(jié)構(gòu)的納米復合材料，是解決帶狀石墨烯應(yīng)用問題的一個有效途徑。目前，帶狀石墨烯與功能材料在納米尺度上的有效復合，實現(xiàn)帶狀石墨烯和功能材料的協(xié)同增強效應(yīng)成為碳材料領(lǐng)域的一個熱點。同時

3、，如何實現(xiàn)簡捷、高效地制備基于帶狀石墨烯的納米雜化材料并拓展其在材料領(lǐng)域的應(yīng)用也是亟待需要解決的問題。
　　本論文針對以上這些問題，通過徑向剪切(Longitudinal unzipping)多壁碳納米管的方法實現(xiàn)了碳納米管與帶狀石墨烯納米雜化材料的有效構(gòu)筑，以及帶狀石墨烯與功能性納米材料的高效制備，并以這些納米雜化材料為電極材料組裝了染料敏化太陽能電池和全固態(tài)的超級電容器，深入探究了基于帶狀石墨烯的納米雜化材料在能源轉(zhuǎn)換與存儲領(lǐng)

4、域的應(yīng)用。主要獲得了如下的研究結(jié)果:
　　(1)通過徑向剪切多壁碳納米管的方法，一步法構(gòu)筑了帶狀石墨烯/碳納米管(GNR/CNT)的納米雜化材料，并探究了這種納米雜化材料在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用。在多壁碳納米管徑向剪切過程中，通過控制氧化劑的用量，實現(xiàn)了多壁碳納米管在不同程度上的剪切效果，剝離的帶狀石墨烯作為“橋梁”搭接在分散的碳納米管上面，形成了良好的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，促進了電子的快速傳輸，帶狀石墨烯邊緣結(jié)構(gòu)活性位點良好的催化性

5、能也得到了充分利用;同時，未剪切碳納米管的存在也保證了材料良好的孔隙結(jié)構(gòu)，有效提高了GNR/CNT納米雜化材料的物理化學性能。
　　(2)通過原位聚合方法，將苯胺單體均勻生長在GNR/CNT納米雜化材料表面，實現(xiàn)了帶狀石墨烯/碳納米管/聚苯胺(GNR/CNT/PANI)納米雜化材料的有效構(gòu)筑。PANI均勻生長在GNR/CNT納米雜化材料表面，實現(xiàn)與碳材料“骨架”之間的緊密接觸;同時，碳納米管的存在也在材料內(nèi)部起到了很好的導電橋梁的

6、作用，并且保證了GNR/CNT/PANI納米復合材料具有良好的孔隙結(jié)構(gòu)。這種多級結(jié)構(gòu)的三元納米雜化材料將GNR/CNT良好的雙電層電容性能和PANI優(yōu)異的贗電容性能高效地結(jié)合起來，實現(xiàn)了GNR/CNT和PANI納米材料在能源儲存方面的協(xié)同增強效應(yīng)。而且組裝的全固態(tài)超級電容器具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，進一步拓展了帶狀石墨烯材料的應(yīng)用。
　　(3)利用水熱法實現(xiàn)了氫氧化鎳(Ni(OH)2)納米粒子在GNR/CNT納米雜化材料表面的有效負載

7、，從而獲得了GNR/CNT/Ni(OH)2納米復合材料。GNR/CNT材料作為內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)，不僅具有優(yōu)異的導電性能，同時還具備良好的電化學穩(wěn)定性，并顯著促進了Ni(OH)2材料優(yōu)異贗電容性能的有效利用以及循環(huán)使用性能的提高。將GNR/CNT/Ni(OH)2復合材料作為電化學電容材料對其性能進行了研究，結(jié)果表明，這種三元復合材料具有良好的電化學性能，其比容量高于單一組分的比容量值。這種GNR/CNT/Ni(OH)2納米復合材料的有效構(gòu)筑實

8、現(xiàn)了帶狀石墨烯材料與無機功能材料的有效結(jié)合，并進一步拓展了其在能源領(lǐng)域中的應(yīng)用。
　　(4)利用對多壁碳納米管剪切處理，一步法制備了帶狀石墨烯/二氧化錳（GNR/MnO2）的納米雜化材料。通過調(diào)節(jié)KMnO4的用量，不僅實現(xiàn)了多壁碳納米管的完全剪切，制備了帶狀石墨烯材料，而且同時實現(xiàn)了MnO2納米粒子在帶狀石墨烯表面的均勻負載。MnO2納米顆粒具有較高的比表面積，并且和帶狀石墨烯之間有著良好的接觸，同時也抑制了帶狀石墨烯的團聚。以G