超临界连续水热法合成石墨烯-无机纳米材料及其应用研究

摘要

石墨烯-无机纳米材料是近年来兴起的新型高性能复合材料。石墨烯-无机纳米材料将普通无机纳米材料与具有极强力学性质和超级导电性的二维石墨烯材料复合，利用不同组分间产生的相补效应，晶格缺陷效应等显著增强纳米材料本身的特性。因其特殊的性质，石墨烯-无机纳米材料展现出光明的研究前景，引起世界科研界广泛的关注。但现有制备技术存在成本高，流程复杂无法用于多种复合材料制备和必须依赖石墨烯表面氧化基团完成复合等缺点，极大影响了石墨烯-无机纳米复合材料的应用开发。如何利用没有性能缺陷的纯石墨烯制备出高品质的复合材料成为现阶段重要的研究方向。
　　本文创新性地以完美石墨烯为反应物，采用超临界连续水热法合成石墨烯-无机纳米材料，考察了反应参数对产物结构，形貌等的影响，探讨了复合材料的成核和复合机理；开展了复合材料的应用研究，主要研究结果如下：
　　石墨烯-纳米氧化锌材料制备及其光催化活性研究：以完美石墨烯分散液、硝酸锌溶液、氢氧化钾溶液为反应物，通过控制前驱体浓度，实现了石墨烯-氧化锌复合结构的控制并讨论了反应过程的合成机理。所得的复合物为均匀的灰黑色粉末，XRD表征显示复合物中氧化锌晶型为纤锌矿型。石墨烯与氧化锌的复合对氧化锌的结晶过程的晶型没有造成影响，氧化锌保持了其晶型的完整性，石墨烯的存在改善了氧化锌的形貌均一性。在不同前驱体浓度下复合物结构为膜粒结构或蛛网结构，这是由于结晶过程的机理差异所造成。复合物展现出优异的光催化活性，在200分钟的降解反应中甲基橙的降解率达到了100％，较纯氧化锌颗粒相比提高30%。这是由于氧化锌在经紫外光活化后，光生电子迅速从氧化锌表面转移到导电性极强的石墨烯表面，从而阻止了光生电子和空穴的复合，提高了纳米氧化锌的活化率。
　　石墨烯-纳米二氧化钛复合材料制备及其光催化活性研究：以完美石墨烯分散液、异丙醇钛为反应物。石墨烯-二氧化钛复合物为一均匀的灰黑色粉末，在石墨烯达到一定含量后，复合物XRD图谱中出现位于26.4°的石墨烯特征峰。TEM表征表明石墨烯的存在使得二氧化钛颗粒的形貌均一性及分散性得到了改善。讨论了该反应过程的合成机理。所得的复合物展现出优异的光催化活性，在120分钟的降解反应中甲基橙的降解率达到了84%，较纯二氧化钛颗粒相比提高25%。当反应进行到180min后所有MO几乎被全部降解。石墨烯的存在对二氧化钛的光催化反应产生了巨大影响。石墨烯-二氧化钛较纯二氧化钛具有更优越的催化性能。
　　石墨烯-纳米磷酸铁锂复合材料制备及其电化学活性研究：以完美石墨烯分散液、硫酸亚铁，磷酸二氢铵，氢氧化锂为反应物。在抗氧化剂Vc添加量为理论磷酸铁锂产量10%，反应条件为350℃，23MPa的条件下，制备出晶型完整的石墨烯-橄榄石型磷酸铁锂复合物。TEM表征表明石墨烯膜与磷酸铁锂的复合方式为包覆。石墨烯参与了锂离子电池中的电化学反应，复合材料的电导性和循环稳定性都有了明显改善。通过与石墨烯复合，正极材料的电化学性能提高了2倍。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2石墨烯

1.3 氧化锌

1.4 二氧化钛

1.5 磷酸铁锂

1.6 石墨烯-无机纳米复合材料

1.7 石墨烯-无机纳米复合材料的制备方法

1.8超临界技术简介

1.9研究目的和研究内容

第二章 石墨烯-纳米氧化锌复合材料的制备及其光催化性能研究

2.1 引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4本章小结

第三章 石墨烯-纳米二氧化钛复合材料的制备及其光催化性能研究

3.1 引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第四章 石墨烯-纳米磷酸铁锂复合材料的制备及其电化学性能研究

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 总结

5.1全文总结

5.2本文的创新点、不足之处及后续工作建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文