基于石墨烯的二维复合材料的制备及其初步应用研究

论文摘要

石墨烯在能源与催化领域的应用已经成为石墨烯研究的一个新热点。使用无机/有机复合物在其表面组装复合,可以成功得到二维石墨烯/有机无机复合材料。在这些复合物中,不仅石墨烯的的大比表面积和柔软性的二维特性得到了利用,并且石墨烯所具备的高电子迁移率可以增强复合物的性能。本文主要选用了小分子表面活性剂对GO进行表面修饰,制备了二维石墨烯/金属纳米粒子复合物以及含氮石墨烯材料,并对其进行了相关表征。具体研究内容为:（1）使用两种小分子十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和双阳离子表面活性剂（Gemini 16-4-16, Gem）修饰GO表面,通过多种手段比较了这两种小分子表面活性剂的修饰效果,然后分别将修饰后的GO与金属前驱体混合均匀后,加入NaBH4同时还原GO和金属前驱体,制备得到了2D石墨烯/金纳米粒子复合物。然后使用多种表征手段表征了两种表面活性剂的加入对纳米粒子负载的影响。研究结果表明,与CTAB相比,Gem能够更加均匀地修饰GO,由此得到的复合物的表面形貌也更加均一,电化学表征表明其具有更加优异的电催化性能。（2）使用CTAB在碱性条件下利用静电作用在GO表面进行自组装,然后向其中加入正硅酸四乙酯（TEOS）,以CTAB胶束为模板水解成二氧化硅。使用乙醇除去模板剂后,便得到了2D负载有介孔二氧化硅的石墨烯材料。以此材料为模板,用溶液法向孔中填入吡咯单体,引发聚合,经过热解后,使用NaOH刻蚀出去模板,即可得到含有氮元素的二维石墨烯材料。所得材料经过表征,具有较好的比电容,可以用于超级电容器的制备。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 石墨烯的结构与制备
• 1.2.1 石墨烯的结构
• 1.2.2 石墨烯的性能
• 1.2.3 石墨烯的制备
• 1.3 石墨烯/金属纳米粒子复合材料的研究进展
• 1.3.1 金属纳米粒子（MNPs）的性质
• 1.3.2 石墨烯表面负载MNPs 研究进展
• 1.4 基于石墨烯的超级电容器的研究进展
• 1.4.1 超级电容器
• 1.4.2 基于石墨烯材料的超级电容器中的研究进展
• 1.5 课题主要研究内容
• 第二章 二维石墨烯/金属纳米粒子复合材料的制备与表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验材料和测试方法
• 2.2.2 实验部分
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 GO 的性质表征
• 2.3.2 Gem 的结构分析
• 2.3.3 小分子表面活性剂修饰GO 的Zeta 电位分析
• 2.3.4 小分子表面活性剂修饰GO 的FTIR 表征
• 2.3.5 小分子表面活性剂修饰GO 的AFM 表征
• 2.3.6 RGO/Gem/MNPs 和RGO/CTAB/MNPs 的形貌表征
• 2.3.7 RGO/Gem/MNPs 的XRD 与XPS 表征
• 2.3.8 RGO/Gem/GNPs 的电化学表征
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于石墨烯的二维含氮碳材料的制备与应用
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验材料和测试方法
• 3.2.2 实验部分
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 GOMS 的形貌表征
• 3.3.2 GOMS 及GOMS/PPy 的热分析
• 3.3.3 N-Gr 的元素分析
• 3.3.4 N-Gr 的红外表征
• 3.3.5 N-Gr 的XRD 分析
• 3.3.6 N-Gr 的形貌表征
• 3.3.7 N-Gr 的比表面积分析
• 3.3.8 含氮石墨烯的电容性能测试
• 3.4 本章小结
• 第四章 本文结论及工作展望
• 4.1 本文主要结论
• 4.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文及研究成果