冻干法制备石墨烯多孔复合材料及其电化学性能研究

摘要

本文采用冷冻干燥法分别制得石墨烯多孔材料(Porous Graphene，PGR)、石墨烯-壳聚糖多孔复合材料（Porous Graphene-Chitosan，PGR-CS）及石墨烯-二氧化锰多孔复合材料(Porous Graphene-MnO2，PGR-MnO2)，所得材料具有三维联通的多孔结构，分别通过调节表面活性剂含量、石墨烯含量、负载时间等，对孔的结构和数量进行控制。将所制备的多孔复合材料修饰到电极上，对材料的电化学及充放电性质进行探究。
　　实验结果表明，在氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)分散液中添加表面活性剂能够在所得试样中得到介孔，使材料的比表面积从18.04增加到325.0 m2g-1，添加油相能够对多孔材料中孔的数量进行调控。PGR所具有的孔结构能够影响葡萄糖氧化酶(GOD)的直接电化学行为，当葡萄糖浓度为5 mM时，试样的最大催化电流变为原来的6.3倍。PGR修饰电极能够检测葡萄糖的浓度，检测限较低约为8.7μM，灵敏度为16.3μA mA cm-2。
　　在PGR-CS多孔复合材料中，通过调整石墨烯的含量可得到不同形貌孔结构的试样，石墨烯含量越高，孔的数量越多。当石墨烯含量为70％时，材料的柔韧性及孔结构最好，经超声分散后负载在电极上，材料仍能保持良好的稳定性，响应电流为裸电极的两倍。以羧酸二茂铁为介质探究GOD的直接电化学行为，结果表明，当葡萄糖浓度在0.14～7.0 mM时，电流强度与葡萄糖的浓度成正比，检测限为17.5μM。
　　将PGR浸于0.1M KMnO4/K2SO4溶液中，不同的浸渍时间可得到不同MnO2含量的PGR-MnO2多孔材料，且所得试样具有良好的孔结构。从扫描电镜图可以看到尺寸约为200 nm的MnO2粒子均匀的分散在石墨烯片层上，浸渍2h的样品(PGR-MnO2-2h)电化学及电容性最好:当电流密度为0.1 Ag-1时，PGR-MnO2-2h的比电容和能量密度达到最大值，分别为800 F g-1，40Wh kg-1。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 石墨烯多孔材料

1．2．1 石墨烯多孔材料的制备方法

1．2．2 石墨烯多孔材料的应用

1．3 冷冻干燥技术

1．3．1 冷冻干燥原理

1．3．2 冷冻干燥发展现状

1．4 本课题的研究内容、意义

第二章 实验过程与方法

2．1 实验原料与设备

2．1．1 实验原料

2．1．2 实验仪器与设备

2．2 实验线路与方案

2．2．1 PGR的制备

2．2．2 PGR-CS多孔复合材料的制备

2．2．3 PGR-MnO2多孔复合材料的制备

2．3 分析测试方法

2．3．1 物相分析

2．3．2 微观结构分析

2．3．3 紫外可见光谱

2．3．4 拉曼光谱分析

2．3．5 热重分析

2．3．6 N2吸脱附等温线测试

2．3．7 电化学性能分析

第三章 石墨烯多孔材料的制备及性能研究

3．1 PGR的热稳定性

3．2 PGR的微观形貌及成分分析

3．3 PGR负载葡萄糖氧化酶的电化学性能分析

3．4 本章小结

第四章 石墨烯-壳聚糖多孔复合材料的制备及性能研究

4．1 PGR-CS多孔复合材料物相分析

4．2 PGR-CS多孔复合材料微观形貌分析

4．3 PGR70-CS／GCE的电化学性能

4．4 GOD／PGR70-CS／GCE的电化学性能

4．5 GOD-Nafion／PGR70-CS／GCE对葡萄糖的电催化性能

4．6 本章小结

第五章 石墨烯-二氧化锰多孔复合材料的制备及应用

5．1 PGR-MnO2复合材料的物相及结构分析

5．2 PGR-MnO2复合材料的电化学性能

5．3 PGR-MnO2-2h的电容性能

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

附录：攻读硕士期间所取得的成果