石墨烯及石墨烯%2f聚吡咯复合材料的一步电化学制备与应用研究.pdf

湖南大学
硕士学位论文
石墨烯及石墨烯/聚吡咯复合材料的一步电化学制备与应用研究
姓名:陈六云
申请学位级别:硕士
专业:材料科学与工程
指导教师:唐艳红
20120601
摘要本论文提出了一种新的绿色可控的方法一一步电化学沉积法制备石墨烯薄石墨烯以其独特的结构和优异的电学、力学及热学性能,而在各种领域包括光电器件、透明电极、传感器、电容器、锂离子电池、催化等领域表现出诱人的应用前景;石墨烯基复合材料有望同时结合石墨烯与复合组分的固有特性,并产生新颖的协同效应,因此,石墨烯及石墨烯基复合材料正吸引着越来越多科研工作者的关注。简单、宏量制备石墨烯是石墨烯及其复合材料得以成功应用的前提。近几年来,石墨烯的各种制备方法相继出现,其中主要有机械剥离法、化学气相沉积法、外延生长法、氧化石墨还原法等,但是各种制备石墨烯的方法都有其优缺点,或者是产率低,或者是过程复杂、条件苛刻等,因此综合各种制备方法的优缺点,取长补短,实现便捷、绿色、可控制备石墨烯和石墨烯复合材料是目前石墨烯材料领域的一个重要课题。膜,并进一步延伸制各了石墨烯/聚吡咯复合薄膜,对所制备的材料进行了结构与性能表征,研究了其在电化学传感器或超级电容器中的应用。具体研究内容如下:徊降缁е票甘┍∧ぜ捌湓诘缁Тǜ衅髦械挠τ醚芯俊2捎椒ㄖ票赋鲅趸ǎ趸ǔ稚⒃诹姿嵫位撼迦芤褐校纬氧化石墨烯的胶体溶液,采用循环伏安法电解氧化石墨烯胶体溶液直接在电极表面制备石墨烯薄膜;利用扫描电镜和透射电镜对氧化石墨烯和石墨烯的结构和形貌进行表征;利用循环伏安、差分脉冲伏安及电化学阻抗技术测试材料的电化学性能;优化氧化石墨烯浓度、电沉积扫描速率及扫描圈数,结果表明,当氧化石墨烯浓度为疞时,循环伏安电沉积扫描速度为/腿κΦ氖墨烯薄膜具有较优的电导性和电催化性能;构筑基于石墨烯修饰电极的电化学传感器,研究其对水中有机污染物的检测,该修饰电极能够高灵敏度、高选择性地同时检测对苯二酚和邻苯二酚同分异构体。徊降缁е票甘叟└春媳∧ぜ捌湓诔兜缛萜髦械挠τ醚究。以氧化石墨烯和吡咯单体为前驱体,通过奖憬菅贩卜ㄖ票甘聚吡咯纳米复合材料,实验发现采用阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵皂够调控石墨烯/聚吡咯复合薄膜的形貌和结构。探讨了吡咯与氧化石墨烯的投料比和含量对石墨烯/聚吡咯的结构以及电化学性能的影响。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱以及簧湎哐苌浼际醵愿春喜牧系慕构进行表征,利用循环伏安、恒电流充放电以及电化学阻抗技术测试复合材料的硕士学位论文Ⅱ
电化学性能。实验结果表明,当吡咯与氧化石墨烯的质量比为:时,形成的聚吡咯均匀覆盖在石墨烯表面,得到由纳米片组成的石墨烯/聚吡咯复合薄膜,该复合薄膜表现出较优的导电性,其比电容值为痝,远高于纯聚吡咯其稳定性也大大提高。总之,本论文发展了一种新型绿色可控的石墨烯薄膜制备方法,并进一步延伸制备出了结构可控的石墨烯/导电聚合物复合薄膜,为石墨烯基材料的应用,尤其在电化学中的应用绲缁Тǜ衅鳌⒊兜缛萜鳌胱拥绯亍⒌绱呋提供了材料设计与控制合成的新思路。关键词:石墨烯;电沉积;聚吡略;电化学传感器;超级电容器痝石墨烯及石墨烯/聚毗咯复合材料的一步电化学制各与应用研究
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第滦髀石墨烯概述原子晶体一石墨烯【浚な邓梢缘ザ来嬖冢浣峁沟ピNN榷ǖ谋搅;如石墨烯是一种由碳原子以踊斓雷槌闪切统史涑簿Ц竦钠面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在,直至年,·诺沃肖洛夫,通过机械剥离法从石墨中成功分离出来单层或薄层的新型二维图俊J┑牡纬闪舜恿阄母焕障、一维的碳纳米管珻、二维的石墨烯至维的金刚石石墨的完整体系.【浚佣涫盗颂疾牧霞易濉J┑奈适酪起了全世界的研究热潮。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的二维材料【,】。由于丰富而奇特的物理现象,使石墨烯表现出许多优异性质,如石墨烯具有已知材料中最高的的强度,比钢的强度还高啾叮黄湓亓髯忧ㄒ坡蚀..【浚直饶擅滋脊芑蚬杈甯撸饶壳耙阎5木哂凶罡咔ㄒ坡实奶嗷铟材料高一倍,超过商用硅片迁移率的倍多,而电阻率只约“韧银更低,为目前世上电阻率最小的材料【,且在特定条件绲臀轮枥涞下,其迁移率甚至可高达×甐.】;石墨烯的热导率可达,远高于碳纳米管和金刚石,且是金刚石的丁】。与碳纳米管相比,石墨烯具有性能优异、成本低廉、可