石墨烯基复合材料的合成及其在吸附方面和超级电容器方面的应用

摘要

石墨烯是一种新颖的二维碳材料，因其独特的蜂巢状结构，而具优异的化学物理性能，例如良好的机械强度、优异的导电性、载流子迁移率、良好的透光率。石墨烯具有非常大的比表面积，能够提供更多的接触面积及反应位点，可以为许多化学、物理过程提供良好的辅助支撑作用。而且石墨烯可与其他纳米材料进行复合，复合材料不仅具有原来各个组份的性能，还因协同效应可得到性能更加优异的材料，应用空间更加广阔。因此，以石墨烯作为基底合成纳米复合材料成为一种高效便捷的手段，以此来提高材料的各方面性能，进而提升其在环境治理、能源储存、气体储存、光电探测等方面的应用价值。本文主要研究了石墨烯与其他纳米材料的复合材料的制备及其在污水处理、超级电容器这两方面的基础应用研究。主要内容分述如下:
　　首先是关于石墨烯基复合材料作为吸附剂在污水处理方面的应用基础研究。先通过共沉淀法得到氧化石墨烯与四氧化三铁(Fe3O4)、埃洛石(HNT)的前驱体，再进一步煅烧将氧化石墨烯还原，所得产物(FHGC)经透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)等表征手段确定三者复合成功。使用有机染料罗丹明B和无机重金属砷离子分别模拟废水处理中的有机、无机污染物，考察FHGC的吸附效果。结果显示，相较于已报道的类似的复合材料，FHGC对有机、无机污染物都表现出更好的吸附性能，而且通过调节三组分的配比，可以控制吸附速度和总吸附量。以上结果证明FHGC对污染物具有良好的吸附性能，应用前景广阔。
　　其次是关于石墨烯基复合材料作为超级电容器材料的应用基础研究。将石墨烯与有机金属骨架(MOF)通过原位生长法得到新型的MOF/rGO复合材料。经过XRD、拉曼光谱(RM)、X射线光电子能谱(XPS)等表征手段的测试，证明了MOF与rGO成功复合。在超级电容器测试中，该复合材料(GFCM)在0.2 A g-1恒流充放电的电流密度下，比容量达到128Fg-1。在循环伏安(CV)测试中，MOF中的两种氧化还原活性组分都表现出了氧化还原峰，所得到CV曲线更近似矩形。以上电化学测试证明了GFCM在超级电容器方面的应用潜力，也提供了一种改善赝电容超级电容器性能的尝试。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 石墨烯及其复合材料

1．2．1 石墨烯的制备方法

1．2．2 石墨烯基纳米复合材料的制备方法

1．3 石墨烯基纳米复合材料在水处理方面的应用

1．3．1 吸附无机离子

1．3．2 吸附有机污染物

1．4 石墨烯基复合材料在超级电容器方面的应用

1．4．1 超级电容器的分类及储能原理

1．4．2 石墨烯基复合材料在超级电容器方向的应用

1．4．3 石墨烯基复合材料在超级电容器方面的分类

1．5 研究意义

2 实验技术与方法

2．1 仪器药品

2．2 材料表征技术

2．2．1 透射电子显微镜

2．2．2 扫描电子显微镜

2．2．3 粉末X射线衍射技术

2．2．4 傅里叶转换红外光谱

2．2．5 紫外可见吸收光谱

2．2．6 拉曼光谱分析

2．2．7 热重分析

2．2．8 物理磁性分析

2．2．9 BET比表面和孔结构分析

2．2．10 X射线光电子能谱分析

2．2．11 电感耦合等离子原子发射光谱(ICP-AES)

2．3 吸附性能测试

2．3．1 复合材料对有机染料罗丹明(Rh B)的吸附性能研究

2．3．2 复合材料对无机金属离子As(V)离子吸附性能研究

2．4 超级电容器测试

2．4．1 超级电容器的组装

2．4．2 循环伏安法

2．4．3 恒流充放电法

2．5 氧化石墨的制备

3 Fe3O4/HNT@rGO复合材料的共沉淀法制备及其对废水中污染物的吸附性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 HNT的酸处理

3．2．2 Fe3O4/HNT@rGO(FHGC)三元复合材料的制备

3．2．3 吸附实验

3．3 结果与讨论

3．3．1 透射电镜和扫描电镜分析

3．3．2 傅里叶转换红外光谱分析

3．3．3 X射线衍射分析

3．3．4 拉曼光谱分析

3．3．5 X射线光电子能谱分析

3．3．6 BET比表面和孔结构分析

3．3．7 物理磁性分析

3．3．8 吸附罗丹明B性能

3．3．9 吸附As(V)离子性能

3．4 小结

4 石墨烯与双氧化还原活性位点的金属有机骨架的复合材料在超级电容器方面的应用

4．1 引言

4．1．1 金属有机骨架在在超级电容器方向的应用

4．1．2 本实验的设计思路

4．2 实验部分

4．2．1 石墨烯/MOFs复合材料的制备

4．2．2 超级电容器性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 形貌分析

4．3．2 X射线衍射和傅里叶转换红外光谱分析

4．3．3 热重分析和拉曼光谱分析

4．3．4 X射线光电子能谱分析

4．3．5 BET比表面和孔结构分析

4．3．6 超级电容器性能分析

4．4 小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士研究生期间的成果