石墨烯与一维纳米材料的共组装及超电容应用

摘要

自二十世纪六十年代开始，科学家们就开展了对纳米尺度材料的研究工作。纳米尺寸下的物质，由于其电子的波性及原子之间的相互作用力，拥有许多宏观物质所没有的独特性质和规律。特别是其独特的光学、电学、磁学、热学以及量子方面的特性成为科学家们的研究重点。纳米材料已经在电子材料、光学材料、催化、磁性材料、生物医学、传感器和人工智能等领域发挥了重要应用。然而，由于单一的纳米材料的性质和功能存在一些不足，往往需要将不同组成、形状和功能的纳米材料组装成复合结构，使其具有这些不同材料各自的优点，甚至协同相互作用，以进一步增强性能并拓展其应用范围。
　　本论文第一部分工作是合成出一维离子晶体Cd(OH)2纳米线，并对其形貌结构进行了表征;然后通过静电作用力将Au纳米粒子成功组装到Cd(OH)2纳米线上得到了Cd(OH)2-AuNPs复合材料;随后并将Cd(OH)2纳米线与氧化石墨烯(GO)共组装，获得了Cd(OH)2-GO组装结构，并对其进行了表征。考虑到Cd(OH)2能与H2S发生反应生成CdS半导体材料，将Cd(OH)2-GO复合材料在H2S气氛中进行转化得到了CdS-GO复合材料。因为CdS是一种典型的Ⅱ-Ⅳ族化合物半导体，其本体带隙约为2.4eV，具有良好的光电转化特性，而GO是一种热门的具有优异电化学性能的材料，并且良好的可加工性能和水溶性，上述复合组装结构可望在光电化学研究方面获得应用。
　　第二部分工作是氧化石墨烯-单壁碳纳米管复合材料的制备及其在超级电容器方面的应用。我们以氧化石墨烯(GO)作为表面活性剂分散原始的单壁碳纳米管(SWNT)，采用超声、冷冻干燥的办法得到氧化石墨烯-单壁碳纳米管复合物。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)和电化学测试对样品的形貌、结构、组成以及电化学性质进行表征。结果表明:氧化石墨烯-单壁碳纳米管复合物的电化学超电容性质得到了显著的提高，通过调节单壁碳管与GO的质量比，发现SWNT含量为10％的氧化石墨烯-单壁碳纳米管性能最好，在6mol·L-1的KOH电解液中，0.5A·g-1电流密度下首次恒流充放电比电容可达155F·g-1，是纯氧化石墨烯在此电流密度下的比电容81.5F·g-1的近2倍。这种简单的方法获得的GO-SWNT复合材料在能量存储装置方面有广阔的应用前景。

目录

声明

摘要

第一章 综述

1．1 纳米材料的概述

1．1．1 纳米材料的基本概念

1．1．2 纳米材料的组成和分类

1．2 纳米材料的特性及应用

1．2．1 纳米材料的基本物理特性

1．2．2 纳米材料的特殊性质

1．2．3 纳米材料的应用

1．3 纳米材料的制备方法

1．3．1 物理方法制备纳米材料

1．3．2 化学方法制备纳米材料

1．4 本论文的研究目的及研究内容

第二章 基于氧化石墨烯和Cd(OH)2纳米线的复合组装结构

2．1 引言

2．2 Ca(OH)2纳米线的合成

2．2．1 实验试剂

2．2．2 实验方法

2．2．3 Cd(OH)2纳米线的表征

2．3 Cd(OH)2-Au NPs复合材料的合成

2．3．1 实验试剂

2．3．2 实验方法

2．3．3 Au N-Ps和Cd(OH)2-Au NPs复合材料的结果与表征

2．4 Cd(OH)2-GO复合材料的合成及其转化

2．4．1 实验试剂

2．4．2 实验方法

2．4．3 Cd(OH)2-GO复合材料的合成及其转化的结果与表征

2．5 本章小结

第三章 氧化石墨烯-单壁碳纳米管复合材料的制备及其在超级电容器方面的应用

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 原料与试剂

3．2．2 氧化石墨烯-单壁碳纳米管复合物的制备

3．2．3 材料表征与电化学性能测试

3．3 氧化石墨烯-单壁碳纳米管的结构表征及讨论

3．4 氧化石墨烯-单壁碳纳米管复合物的电容性能及讨论

3．4．1 循环伏安测试

3．4．2 恒流充放电测试

3．5 本章小结

参考文献

致谢