一种界面诱导共组装方法合成的用于高性能超级电容器的有序介孔碳-石墨烯气凝胶复合材料.doc

上海应用技术学院 研究生课程（论文类） 2014 / 2015 学年第 1 学期 课程代码： 0702006 论文题目： 姓 名： 专 业： 学 号： 学 院： 课程（论文）成绩： 课程（论文）评分依据（必填）： 任课教师签字： 日期： 年 月 日 一种界面诱导共组装方法合成的用于高性能超级电容器的有序介孔碳-石墨烯气凝胶复合材料 刘瑞丽※ 万里 刘少卿 潘丽霞 吴冬清※ 张东元 大孔石墨烯气凝胶缠绕的介孔碳复合材料能够结合两种组分的性能于一身，被期望能在电化学能源装置中表现出优越的性能。但是，由于缺乏有效的方法去控制介孔结构碳层的多孔性，使得制备这种复合材料具有挑战性。我们给出了一种界面诱导共组装的方法来合成多层介孔碳-石墨烯气凝胶复合材料，这种材料具有被高度有序的孔直径约为9.6nm介孔碳覆盖的交联大孔石墨烯网，已被报道。而且，其中孔的取向（垂直或者水平于复合材料的表面）可以通过调整组成组分的比例来调节。这种得到的复合材料在作超级电容器的电极时，也表现出优越的电化学性能。更重要的是，这种合成思路为多层多孔石墨烯复合材料潜在的能量储存与转换的应用提供了一个理想的平台。 1 引言 石墨烯气凝胶最近成为研究热题，自从它的大孔结构可以改变石墨烯层有趣的特性，包括高电导率和良好的机械稳定性，使其成为三维交联立体结构，由此实现了石墨烯在生物、催化、能量转换与储存等方面的良好应用。为加强其物理性能，或者引入新功能，石墨烯气凝胶也可以作为一个整体的底物来装载各种纳米材料，包括金属氧化物，二氧化硅，聚合物，甚至碳。石墨烯气凝胶的协同效应和附加组分使所得到的复合材料在多元化的能源设备中，如锂离子电池，超级电容器和燃料电池，表现出更加高效的电化学性能。 几十年来，有序介孔碳由于它高度有序的孔结构，大表面积，强吸附性能而得到了材料学家青睐。然而，它较低的结晶度和结构上的大量缺陷使它不可避免的阻碍了电子转移，从而削弱了电化学活性。有序介孔碳和石墨烯气凝胶的结合能够产生由均一的介孔碳层覆盖在高电导率的3D石墨烯骨架上的复合材料，这种复合材料被期望能大大促进其电化学活性。然而，到目前为止，这种多层多孔复合材料还没有被报道过，主要是由于缺乏行之有效的方法来控制石墨烯气凝胶表面介孔碳层上的孔隙率。 当氧化石墨烯被用来做石墨烯气凝胶的基础材料时，残余的氧基团赋予石墨烯气凝胶两亲的孔壁，它可以通过像亲水、离子间作用这样的非共价力作用来吸附表面活性微团。值得注意的是，表面活性微团作为有序介孔材料软模板的利用已经被很好的研发。利用这些软模板法，几个科研组都报道了在多样性底物模板上可调空性的多孔材料的制备方法。受到这些成果的鼓舞，我们设想的通过选择恰当的表面活性剂、碳源和合成方法来制备石墨烯-气凝胶复合材料将是实验可行的。 于此，我们首次报道了一种通过界面诱导共组装步骤和随后的碳化来制备有序介孔碳-石墨烯气凝胶复合材料的合成方法，其中石墨烯气凝胶用作大孔底物模板，三嵌段共聚物F127作为软模板，可溶性酚醛树脂作为碳源。所得到的系列有序介孔碳-石墨烯气凝胶复合材料拥有被均一的，孔径大小为9.6 nm的石墨烯气凝胶所覆盖的交联大孔石墨烯网状结构。孔的取向（垂直或者水平于石墨烯气凝胶的表面）可以很容易的通过在共组装过程中改变各组分比例来改进，同时证明了其对OMC/GAs在作为超级电容器电极材料时的电化学行为的强影响。基于垂直孔OMC/GA的全固态超级电容器在5mV/s的扫描电压下，呈现出优越的比电容（44.3F/g），优良的循环稳定性（循环100次后减少7.4%）和首次充放电过程中的大功率密度（≈3545Wh/Kg, ＜3.6s）。同先前已报到的路线相比，我们的软模板法提供了对制备多级多孔石墨烯复合材料更加简便、经济和可控的方案。 2 结果与讨论 2.1 介孔结构可控的OMC/GA复合材料的制备 准备好一系列通过调节resol-F127单胶束在GA中的质量比（R）而制备的OMC/GAs，分别表示为：OMC/GA-1（R=2.5），OMC/GA-2（R=6），OMC/GA-3（R=10），OMC/GA-4（R=15）。在可控的试验中，原始的GA和OMC也被准备好（见实验部分详述）。 图 1 OMC/GA复合材料的形态和结构 OMC/GA-2在水热自组装后得到指状图a，在700℃ N2中热处理后得到指状图b； 高分辨率扫描电镜图c（OMC/GA-2）、d（OMC