USST_Arts_112320150多维度杂化碳纳米结构的制备及应用研究-资料分享下载-无忧分享网

摘要

碳纳米材料凭借其独特的结构及自身优异的物理、化学性能，在生产生活等

各个方面有着巨大的应用前景。而针对不同要求及应用，综合不同维度碳纳米材

料的独特性质，合成多维度杂化的碳纳米材料结构，充分发挥每种材料的优势，

对研究者们来说是一个非常吸引人的有挑战性的课题。本论文针对多维度碳纳米

材料这一研究方向，尝试了利用多种物理或者化学的方法合成维度杂化的碳纳米

材料宏观体，并对其结构、性能及应用方面展开了探索。

首先我们研究了利用二维氧化石墨烯片的独特性质及结构来组装成宏观一维

纤维的方法。利用氧化剥离法，使用膨胀石墨为初试原料，在避免超声处理的同

时得到了超大尺寸片层的氧化石墨烯分散液，并通过使用超声细胞粉碎技术，调

节参数得到了梯度尺寸、粘度的一系列氧化石墨烯分散液作为湿纺石墨烯纤维的

纺丝液。利用直接书写式纺丝装置，制备了超长氧化石墨烯及石墨烯纤维，并且

可以通过调节纺丝液粘度，尺寸，纺丝速率等参数来调节纤维微观形貌。进一步

实验表明，石墨烯纤维在受到脉冲机械扰动的情况下表现出灵敏的电阻变化，这

个变化可以通过电学检测设备检测到，有望发展成为新一代微机械传感器。

在此基础上利用直接书写式纺丝装置，制备出了二维的超大规模的氧化石墨

烯及石墨烯纤维网格织物，并且织物纤维结点处实现了自融合，使制备的网络具

有优异的结构完整性。并通过实验进一步证实了该网格织物的多通道导通性及传

感性能，在智能电子织物方面有巨大的应用前景。本实验还实现了在不同衬底上

制备石墨烯网络，并成功实现了转移。

此外通过化学气相沉积方法实现了一维碳纳米管和三维膨胀石墨的均匀组

装。合成的碳纳米管/膨胀石墨层状堆叠结构，使碳管成功均匀分散到石墨层间，

构建了三维传导网络，并将其成功运用到导热应用中，有望应用在新一带电子封

装导热应用中。

本文还利用化学浴沉积的方法，制备了三维层状结构的膨胀石墨/氢氧化镍复

合结构材料作为电极材料，表现出了优异的超级电容器性能。

关键词：碳纳米材料石墨烯碳纳米管膨胀石墨复合材料

ABSTRAT

Carbon nano-materials possess huge application potentials in production and

everyday life owing to their unique structure and outstanding chemical and physics

properties. It remains an attractive challenge to prepare multi-dimensional carbon

composite nano-materials to integrate the advantages of different dimensional

nano-materials to meet varies application requirements. In this work, we aim at

fabricating multi-dimensional composite nano-materials by three chemical and physical

methods, characterizing their structures and properties, and exploring their applications.

At first, we investigate how the two-dimensional graphene oxide (GO)

self-assemble into macroscopic one-dimensional fibers. By oxidation stripping

expanded graphite, large-sized GO sheets were dispersed in solvent to prepare GO

suspension. These GO suspensions could be prepared to GO fiber wet spinning

solution with devised viscosity and GO sheet size by ultrasonic homogenizing the GO

suspension for different operating times and power. Ultra-long GO/RGO fibers were

obtained by programmable writing with GO inks from a moveable spinneret. The

microscopic morphologies could be controlled by regulating the ink viscosity, GO sheet

size and spinning speed. Furthermore, it is indicated that GO fibers exhibit detective

electrical resistance changes when suffering pulsed mechanical stimulus, which can be

utilized as micromechanical sensor.

Secondly, large-scale graphene-based 2D networks could be prepared by

programmable writing with graphene oxide (GO) inks from a moveable spinneret. The

resulting GO networks with in situ welded junctions on the substrate exhibit excellent

structural integrity. Moreover, it is shown that the GO networks possess multi-channel

conductance and sensing property, which can be applied to prepare smart electrical

textile. Besides, the RGO networks on diverse matrix can be also prepared and

transferred successfully.

Additionally, the self-assembly of one-dimensional CNTs and three dimensional

expanded graphite can be realized by adopting chemical vapor deposition method. The

CNTs dispersed into graphite uniformly to form CNTs/expanded graphite stock,

granting the resulting self-assembly outstanding thermal-conductivity.

Finally, three-dimensional layered-structural expanded graphite/Ni(OH)2

composites can also be prepared by chemical bath deposition. The resulting composites

exhibit excellent supercapacitor performance used as electrode materials.

Keywords: carbon nano-materials, graphene, CNTs, expanded

graphite, composite

摘要

ABSTRAT

第一章绪论 ......................................................... 1

1.1 碳纳米材料发展概述 ........................................... 1

1.2 多维度碳纳米材料 ............................................ 2

1.2.1 零维富勒烯 ............................................ 2

1.2.2 一维碳纳米管 .......................................... 3

1.2.3 二维石墨烯 ............................................ 5

1.3 不同维度碳纳米复合材料的发展概况 ............................. 7

1.4 本论文研究的内容 ............................................. 9

第二章石墨烯及氧化石墨烯的制备及性能研究 .......................... 11

2.1 Hummers 方法制备氧化石墨烯 ................................. 11

2.1.1 实验原料与试剂 ........................................ 12

2.1.2 实验仪器及设备 ........................................ 12

2.1.3 样品制备 .............................................. 13

2.2 石墨烯及氧化石墨烯结构表征与分析 ........................... 14

2.2.1 扫描电子显微镜（SEM） ................................ 14

2.2.2 原子力显微镜（AFM） ................................. 16

2.2.3 透射电子显微镜（TEM） ................................ 17

2.2.4 拉曼光谱（Raman） .................................... 18

2.2.5 X 射线衍射（XRD）分析 ................................ 20

2.2.6 紫外可见吸收光谱（UV-vis） ............................ 21

2.3 不同尺寸氧化石墨烯 ......................................... 22

第三章石墨烯纤维的制备及性能研究 .................................. 25

3.1 石墨烯纤维研究概述 ......................................... 25

3.1.1 石墨烯纤维的制备方法 .................................. 25

3.1.2 石墨烯纤维的性能及应用研究 ............................ 27

3.2 直接输写法制备超长氧化石墨烯/石墨烯纤维 .................... 32

3.2.1 制备超长石墨烯纤维实验方案设计 ........................ 32

3.2.2 实验装置搭建 .......................................... 35

3.2.3 超长石墨烯纤维的制备 .................................. 35

3.3 石墨烯纤维的结构表征与性能测试 ............................. 37

3.3.1 氧化石墨烯/石墨烯纤维形貌 ............................. 37

3.3.2 氧化石墨烯/石墨烯纤维强度测试 ......................... 47

3.3.3 石墨烯纤维电学性能测试 ................................ 49

3.4 石墨烯网络的制备与性能测试 ................................. 52

3.4.1 石墨烯网络研究进展及制备方法 .......................... 52

3.4.2 直接输写法制备石墨烯网络 .............................. 53

3.4.3 石墨烯网络的结构形貌表征 .............................. 55

3.4.4 石墨烯网络的力学性能 .................................. 56

3.4.5 石墨烯网络的电学性能 .................................. 57

第四章碳纳米管/膨胀石墨三维复合材料的制备及其在导热方面的应用研究 . 60

4.1 碳纳米管/膨胀石墨层状复合材料的制备 ........................ 60

4.2 复合材料的形貌结构表征 ..................................... 61

4.2.1 复合材料的 SEM 表征 .................................... 61

4.2.2 复合材料的拉曼光谱 .................................... 62

4.2.3 复合材料的 X射线衍射光谱 .............................. 63

4.2.4 复合材料的透射电镜形貌 ................................ 63

4.3 复合材料在导热方面的应用 ................................... 64

4.3.1 复合导热片的制备 ...................................... 64

4.3.2 结构表征及性能测试 .................................... 64

4.3.3 热导性能测试 .......................................... 65

第五章层状膨胀石墨/氢氧化镍复合材料的制备及其电化学性能 ........... 67

5.1 复合材料的制备 ............................................. 67

5.1.1 试剂与仪器 ............................................ 67

5.1.2 材料制备 .............................................. 68

5.1.3 结构表征设备及方法 .................................... 68

5.2 复合材料结构与形貌表 ....................................... 68

5.2.1 复合材料形貌表征 ...................................... 68

5.2.2 复合材料成分及含量测定 ................................ 69

5.3 复合材料电化学性能测试 ..................................... 70

5.3.1 循环伏安性能测试 ...................................... 70

5.3.2 恒流充放电测试 ........................................ 71

5.3.3 交流阻抗测试 .......................................... 72

5.3.4 循环寿命测试 .......................................... 72

第六章结论与展望 ................................................. 74

6.1 结论 ....................................................... 74

6.2 展望 ....................................................... 74

参考文献 ........................................................... 76

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 83

致谢 ............................................................... 84

USST_Arts_112320150多维度杂化碳纳米结构的制备及应用研究

相关推荐

开通VIP享超值会员特权

作者详情

相关内容

推荐作者

热门标签

举报选择: