基于三维石墨烯的新型感应器与超级电容器

摘要

石墨烯是碳原子以sp2杂化形式紧密排列于平面六角晶格形成的二维材料，具有高孔隙率、高光学透过率、大比表面积和高电荷转移效率等众多优异的性质。但石墨烯层间的范德华力或π-π共轭使其极易堆叠，很大程度上降低了自由π电子数量和电荷转移速率，从而抑制了单片石墨烯特性的宏观表达。将二维石墨烯转化为三维石墨烯（3DG）不仅可以有效地改善石墨烯堆叠问题，还能将单层石墨烯的优异性质予以宏观尺度放大。因此，3DG作为新型碳材料在光电传感器、能量存储、电催化和军事防护等研究领域受到广泛关注。当前，感应定制的工业4.0和能量存储利用是推动人类进步的两大研究前沿领域。基于3DG其快速的电荷转移和高比表面积，本论文将从制备多功能的3DG材料出发，探索其在新型感应器和超级电容器领域的新应用，为促进工业4.0和缓解能源危机发展新思路。论文主要研究结果如下：　　① 3DG和N-3DG的高效构筑及性能研究　　论文通过一步溶剂热还原高效构筑具有蜂窝状结构、优良机械性能、超轻密度和高孔隙率的 3DG。对反应因素进行探究发现，前驱体氧化石墨烯（Graphene oxide,GO）的浓度及尺寸对3DG的宏观形貌影响较大。反应容器相同时，3DG大小主要受GO浓度影响，浓度越高，体积越大。而GO的尺寸很大程度上影响3DG的弹性。为进一步提高3DG的电荷转移性能，在3DG中掺入富电子原子N制备N-3DG。二者均具有蜂窝状结构，3DG 较 N-3DG 呈现出较高的 BET 比表面积(499.27m2 g-1)。　　② 3DG及N-3DG的人体感应和红外辐射感应研究　　基于3DG及N-3DG快速的电荷转移，探究了其在新型感应器领域的应用。首次发现手部可以引起开路电压的即时上升（900mV）和下降，而持续感应可引起电压持续保持上升值(～700mV)。该现象目前无可查阅相关文献报道。将电路闭合后，电流呈现振幅～50nA的正弦曲线状，红外辐射也可以感应3DG电极，从而引起其振幅的衰减10%。　　③ 3DG基线状Co3O4纳米复合材料的高性能超级电容器研究　　为进一步改善石墨烯堆叠，采用泡沫镍(NF)为骨架模板和控制低量 GO 浓度的水热法制备薄层3DG-NF（～50μg cm-2）。并将其与具有极大理论比电容但导电性不佳及稳定性较差的Co3O4进行复合得到Co3O4/3DG-NF电极材料。研究表明，这种薄层 3DG-NF 可以改善石墨烯的堆叠，同时提高 Co3O4的分散性。电化学测试发现，薄层3DG不仅将Co3O4的比电容从512.0 F g-1提高到965.9 F g-1，还将8000圈循环稳定性能提高了4.8%。　　这项工作为相关3DG的高效制备提供了参考，还为人体传感器、生命探测仪及超级电容器等应用领域提供了实验基础。

目录

1 绪 论

1.1.1 石墨烯的基本性质

1.1.2 石墨烯的制备方法

1.1.3 3DG的制备方法概述

1.1.4 3DG的应用前景

1.2.1 静电的产生

1.2.2 静电感应简介

1.2.3 静电传感器的研究现状

1.2.4 3DG的人体静电感应研究

1.3.1 超级电容器的发展历程

1.3.2 超级电容器的结构及工作原理

1.3.3 超级电容器电极材料的研究现状

1.3.4 3DG的超级电容器研究

1.4.1 本文选题

1.4.2 本文研究内容

2 实验部分

2.1 实验试剂与材料

2.2 实验仪器

2.3 人体和红外感应测试装置

2.4.1 人体感应测试

2.4.2 三电极体系测试

2.4.3 循环伏安法(CV)测试

2.4.4 恒电流充放电(GCD)测试

2.4.5 电化学阻抗(EIS)测试

2.5.1 X-射线衍射粉末仪（XRD）

2.5.2 扫描电子显微镜(SEM)

2.5.3 比表面积分析仪(BET)

2.5.4 拉曼光谱测试(Raman)

2.5.5 X射线光电子能谱分析(XPS)

3 3DG和N-3DG的高效构筑及性能研究

3.1.1 GO的制备

3.1.2 3DG的制备

3.1.3 GO浓度对3DG的宏观形貌的影响

3.1.4 GO尺寸对3DG的宏观形貌的影响

3.1.5 模板对3DG的宏观结构的影响

3.1.6 3DG的微观形貌分析

3.2 N-3DG的高效构筑及形貌分析

3.2.1 NG的制备

3.2.2 浓度及NG/GO对N-3DG宏观形貌的影响

3.2.3 N-3DG的微观形貌分析

3.3 3DG及N-3DG的结构性能分析

3.4 本章小结

4 3DG的光电人体感应及红外辐射感应研究

4.1 实验过程

4.1.1 3DG及N-3DG的制备方法

4.1.2 3DG和N-3DG的人体及红外辐射测试

4.2 结果与讨论

4.2.1 3DG的人体感应测试研究

4.2.2 3DG的感应原理及静电感应体探究

4.2.3 基于3DG 的人体感应影响因素研究

4.2.4 3DG的红外辐射感应

4.3 本章小结

5 Co3O4/3DG-NF复合材料的高性能超级电容器研究

5.1 实验过程

5.1.1 GO的制备

5.1.2 3DG-NF的制备

5.1.3 Co3O4/3DG-NF 复合电极材料的制备

5.1.4 Co3O4/NF 电极材料的制备

5.1.5 Co3O4/3DG-NF和Co3O4/NF电极材料的结构表征

5.1.6 电化学测试方法

5.2 结果与讨论

5.2.1 Co3O4/3DG-NF和Co3O4/NF电极材料的形貌表征

5.2.2 Co3O4/3DG-NF和Co3O4/NF电极材料的结构及性能表征

5.2.3 Co3O4/3DG-NF和Co3O4/NF电极材料的电化学性能测试

5.3 本章小结

6 结论及展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

A 攻读硕士学位期间发表的学术论文

B 攻读硕士学位期间所完成项目

C 攻读硕士学位期间所获奖项

D 学位论文数据集

致谢