基于石墨烯/导电聚合物复合材料的制备与性能研究

摘要

石墨烯的单原子层二维碳原子晶体结构使其具有优异的导电导热性、超强的力学性质以及巨大的比表面积，在许多高新技术领域，如光电子、储能、催化、传感等方面都表现出很好的应用前景。另一方面，导电聚合物由于其独特的导电性、丰富的电化学及光学性质，引起了人们广泛地研究兴趣。本论文利用石墨烯与导电聚合物以不同方式复合，制备了超级电容器的电极材料和电存储器的活性层材料，基于上述复合材料的原型器件表现出优异的性能:　　以水热还原的三维石墨烯水凝胶(GH)为载体，电化学共沉积聚苯胺(PANI)薄膜，通过改变沉积时间来调控PANI薄膜厚度，成功制备了一系列不同PANI含量的GH/PANI复合材料，应用于电化学电容器。研究结果表明，沉积时间为1200s的样品(GH/PANI1200，PANI的含量为29wt％)，综合性能最佳。在2.2A/g的充放电速率下，GH/PANI1200的整体比电容量高达692F/g;随着速率增大至130A/g，比电容显示为475F/g，保持率达68％;在4A/g下循环1000次，比电容损失25％。GH/PANI的电容器件在电容量、快速充放电性能和能量功率密度等方面都优于GH。这主要归功于GH具有优异的力学性能，三维多孔的网络结构，可作为复合体系的骨架材料，改善赝电容物质PANI的力学性能，同时GH又结合PANI的大电容量和高能量密度，形成协同效应，提升复合体系的综合性能。　　利用简单溶液共混的方法制备了十六烷基胺修饰石墨烯(GO-HDA)与聚3-己基噻吩(P3HT)的纳米复合材料，并通过溶液旋涂工艺得到了具有三明治结构(ITO//GO-HAD/P3HT//Al)的电双稳存储器件。该器件显示出典型的双稳态电开关性能和非易失、可重写的存储效应。研究结果显示，开启电压为1.5V时，ON/OFF态的电流比达到了105;大气环境下，该复合材料的电存储器件无论是ON态还是OFF态，在1V（读取电压）的恒定电压或连续脉冲电压下，都能够保持稳定状态。通过对双稳态下的电流传输模式进行分析，推断出该复合材料的电开关机制为P3HT和GO-HAD两种组分之间的电场诱导电荷转移。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 石墨烯的结构与性能

1．2 石墨烯的制备

1．2．1 机械剥离法

1．2．2 外延生长法

1．2．3 化学气相沉积法

1．2．4 化学转化法

1．3 石墨烯的功能化

1．3．1 石墨烯的共价键功能化

1．3．2 石墨烯的非共价键功能化

1．4 石墨烯的有序组装

1．4．1 石墨烯的二维有序组装

1．4．2 石墨烯的三维有序组装

1．5 石墨烯复合材料

1．5．1 石墨烯／无机纳米粒子复合材料

1．5．2 石墨烯／聚合物复合材料

1．6 本论文工作的提出以及研究内容

2 基于石墨凝三维凝胶／聚苯胺纳米复合电极材料的电化学电容器研究

2．1 本章引言

2．1．1 电化学电容器的研究意义

2．1．2 电化学电容器的分类与储能机理

2．1．3 三维石墨烯凝胶应用于电化学电容器的优势

2．1．4 聚苯胺的结构、导电机理以及用于电化学电容器的优势

2．1．5 课题研究思路

2．2 实验过程

2．2．1 原料

2．2．2 氧化石墨烯(GO)的制备

2．2．3 石墨烯水凝胶(GH)的制备

2．2．4 石墨烯水凝胶／聚苯胺(GH／PANI)的制备

2．2．5 电化学电容器测试器件的制备和测试

2．2．6 仪器表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 GH／PANI的制备与表征

2．3．2 基于GH／PANI的电化学电容器的性能

2．4 本章结论

3 基于化学修饰石墨烯／聚3-己基噻吩纳米复合材料的非易失电存储器件研究

3．1 本章引言

3．1．1 聚合物非易失存储器件的研究意义

3．1．2 聚合物非易失双稳态存储机理

3．1．3 石墨烯／聚合物复合体系应用于存储器件的优势

3．1．4 课题研究思路

3．2 实验过程

3．2．1 原料

3．2．2 十六烷基胺功能化石墨烯(GO-HDA)的制备

3．2．3 功能化石墨烯／聚3-己基噻吩复合材料(GO-HAD／P3HT)的制备

3．2．4 电存储器件的加工及性能测试

3．2．5 仪器表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 GO-HDA的表面形貌及GO-HAD／P3HT的光学性能

3．3．2 基于GO-HAD／P3HT的电存储器件的性能

3．4 本章结论

4 结论

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文

致谢