煤基石墨烯的制備、修飾及應用研究.pdf

1、石墨烯作為一種新型二維碳材料，具有獨特的結構特征和優(yōu)異的電學、力學、光學以及熱學性質，在儲能、催化、傳感器等領域有著良好的應用前景，引起了世界的廣泛關注。廉價、可控制備石墨烯以及石墨烯材料的功能化修飾是影響石墨烯材料發(fā)展和應用的關鍵。
　　煤炭是自然界富存的以多環(huán)芳烴結構單元為主的含碳有機物，在新型碳材料制備中扮演著重要角色。本論文以煤炭為原料，針對煤基石墨烯的可控制備及其在光催化和電化學領域的應用進行了研究。在石墨烯制備方面重點

2、研究了煤結構對煤石墨化過程的影響，探討了影響煤基石墨烯結構和性能的主要因素；在應用方面重點考察了煤基氧化石墨烯復合材料在CO2光催化過程中的催化特性以及煤基石墨烯復合材料的電化學性能。相關研究結果對于開拓煤炭材料化利用的新途徑，闡明影響煤基石墨烯結構和性能的因素具有重要的理論和應用價值。
　　首先，在煤基石墨烯制備方面，論文探討了煤基石墨和煤基石墨烯制備的方法，以及影響石墨烯光催化特性和電化學性能的關鍵因素。煤經過不同石墨化工藝進

3、行結構調變之后，進一步采用氧化法和低溫等離子體還原技術實現(xiàn)了煤基石墨烯的制備。研究結果表明：在2500℃及1500℃條件下，催化石墨化均可以實現(xiàn)煤有機大分子結構的有序化調變，所得煤基石墨的石墨化度均可達到65％以上；當煤中加入氯化鐵/硼酸復合催化劑，經過1500℃熱處理后，所得煤基石墨的石墨化度可以提高到71.63%。此外，不同變質程度的煤經催化石墨化作用后，其產物的石墨化程度也有差異，無煙煤因其有機大分子基本結構單元中芳香層片更大，因

4、此更易石墨化。催化石墨化機理表現(xiàn)為硼元素削弱煤炭有機大分子結構中芳香層片之間橋鍵的交聯(lián)作用，鐵元素與分解得到的芳香層片相結合形成相應的碳化物，當催化劑中無序排列的炭達到飽和時，部分炭以低能級的石墨化碳結晶形態(tài)沉積下來形成煤基石墨。
　　其次，研究了ZnO/煤基氧化石墨烯復合材料在CO2光催化還原過程中的應用。本研究以煤基氧化石墨烯為基材，通過共沉淀法制備了ZnO/煤基氧化石墨烯復合材料，考察了煤基氧化石墨的結構及ZnO負載量對復合

5、材料光催化CO2還原過程的影響。研究結果表明：不同負載量的 ZnO/煤基氧化石墨烯復合材料對 CO2的光催化還原均具有一定光催化作用，其在可見光區(qū)的催化活性和選擇性明顯優(yōu)于紫外光區(qū)，煤基氧化石墨烯結構及特性是影響ZnO/煤基氧化石墨烯復合材料光催化活性和選擇性的關鍵因素；在可見光作用下，ZnO/煤基氧化石墨烯復合材料的光催化活性表現(xiàn)為 ZnO/KCGO復合材料>ZnO/TXGO復合材料>ZnO/JCGO復合材料（復合比為7:3，添加量為

6、1g/L），并且對甲酸有較高的選擇性，產物中甲酸產率與甲醇產率之比最高可達35.36。這主要是由于煤基氧化石墨烯的加入，其自身較大的間隙能，增強了該復合材料在可見光區(qū)的吸收能力，同時有助于促進光生電子的還原能力。
　　最后，本論文研究了煤基石墨烯及MnO2/煤基石墨烯復合材料在超級電容器電極材料中的應用，分析了煤基石墨烯片層大小和結構缺陷對煤基石墨烯及其復合材料電化學性能的影響。當煤基石墨烯材料用作超級電容器正極材料時，其首次充放

7、電比電容量的高低順序為：KCG>TXG>JCG；當MnO2/煤基石墨烯復合材料用作超級電容器正極材料時，首次充放電的比電容量值相較于煤基石墨烯有了很大提高，這是因為石墨烯片層結構與線性二氧化錳復合時產生了強烈的協(xié)同效應，使復合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的導電性能；煤基石墨烯的結構不同，其與二氧化錳協(xié)同效應的大小也有差異，其中，MnO2/TXG復合材料的電化學性能提高最明顯，首次充放電的比電容量可以達到159.05 F/g，是TXG比電容量的3倍多。