Preparation and characterization of graphene based porous carbons for electrochemical applications

摘要

多孔炭材料已经广泛应用于电化学领域，如超级电容器，电催化传感器及电吸附脱盐电极材料。已经有许多关于利用不同前驱体材料或通过不同的制备方法合成多孔炭材料的报道。在本课题中，我们探索了由交联石墨烯得到不同前驱体材料及其对多孔炭材料结构变化的影响，而这种影响可以使得多孔炭材料的电化学性质（如吸附性能和传感性能）得到增强。三聚氰胺和甲醛是两种易得的富氮前驱体，可以用来合成具有多种功能性的多孔炭材料。在三聚氰胺和甲醛的浓缩液中加入石墨烯可以在得到富氮多孔炭材料的同时，改善其结构和电化学性能。用三聚氰胺和甲醛对不同质量分数的氧化石墨烯进行交联以制备石墨烯基交联多孔炭凝胶。我们研究了石墨烯质量分数对合氮量，BET比表面积，中孔体积的影响，特别对其作为超级电容器的电容能力的增强进行了深入研究。结果表明，当石墨烯加入量为5％时，石墨烯基交联多孔炭凝胶的BET比表面积由88.44m2/g增大到261.33m2/g，含氮量由10.23％增大到14.29％，中孔体积由0.18cm3/g增大到0.36 cm3/g,并且比电容得到了显著的改善，由原来的62.13F/g增大到313.24F/g。此外，本课题研究了冷冻干燥过程对石墨烯基交联多孔炭凝胶的影响和碳材料基体中氮元素的含量以及其在提高电容性能方面的作用。
　　近年来，在石墨烯和导电高聚物上沉积铜纳米颗粒以制备无酶多孔炭材料传感器并用于电化学传感和检测葡萄糖，引起了研究者们的极大兴趣。在第二部分，研究并制备了一种基于多孔炭材料的新型无酶载铜纳米粒子的间苯二酚糠醛交联石墨烯的葡萄糖传感器，并且该快速热还原制备方法可在十五分钟内完成。在本部分，研究了硝酸铜溶液浓度对铜纳米粒子形状，大小和含量的影响。并在循环伏安法传感和检测中，对石墨烯的作用以及铜纳米粒子含量的协同作用进行了系统研究。在从0.30μM到30.0μM的浓度范围内，三种合不同量铜纳米粒子的电极都表现出对葡萄糖的协同检测作用。
　　第三部分用氢氧化钾活化椰子壳活性炭制备多种具有不同比表面积的多孔炭材料。在本节中，对氢氧化钾浓度的影响进行了研究，并与最终形成不同官能团、孔径分布、BET比表面积和不同多孔炭材料电极对氯化钠脱盐性能进行全面关联测试。用0.05M、0.1M、0.2M、和0.5M的氢氧化钾溶液进行活化，得到的活性炭的比表面积分别为909.21m2/g、703.47m2/g、647.32 m2/g和601.14 m2/g。直流充放电下，对浓度值为2922 mg/L的氯化钠溶液，对应的最高的吸附值次序分别为21mgg-1、15mg g-1、16mg g-1和21mg g-1。此外，结合文献讨论了多孔炭材料双电层的基本原理及其对离子的吸附机理的作用。