基于三维石墨烯的新型感应器与超级电容器.pdf

中文摘要 摘 要 2 石墨烯是碳原子以sp 杂化形式紧密排列于平面六角晶格形成的二维材料，具有 高孔隙率、高光学透过率、大比表面积和高电荷转移效率等众多优异的性质。但 石墨烯层间的范德华力或π-π 共轭使其极易堆叠，很大程度上降低了自由π 电子 数量和电荷转移速率，从而抑制了单片石墨烯特性的宏观表达。将二维石墨烯转 化为三维石墨烯（3DG ）不仅可以有效地改善石墨烯堆叠问题，还能将单层石墨 烯的优异性质予以宏观尺度放大。因此，3DG 作为新型碳材料在光电传感器、能 量存储、电催化和军事防护等研究领域受到广泛关注。当前，感应定制的工业 4.0 和能量存储利用是推动人类进步的两大研究前沿领域。基于3DG 其快速的电 荷转移和高比表面积，本论文将从制备多功能的3DG 材料出发，探索其在新型 感应器和超级电容器领域的新应用，为促进工业4.0 和缓解能源危机发展新思 路。论文主要研究结果如下： ① 3DG 和N-3DG 的高效构筑及性能研究 论文通过一步溶剂热还原高效构筑具有蜂窝状结构、优良机械性能、超轻密 度和高孔隙率的 3DG 。对反应因素进行探究发现，前驱体氧化石墨烯（Graphene oxide,GO ）的浓度及尺寸对3DG 的宏观形貌影响较大。反应容器相同时，3DG 大 小主要受GO 浓度影响，浓度越高，体积越大。而GO 的尺寸很大程度上影响3DG 的弹性。为进一步提高3DG 的电荷转移性能，在3DG 中掺入富电子原子N 制备 N-3DG 。二者均具有蜂窝状结构，3DG 较 N-3DG 呈现出较高的 BET 比表面积 (499.27m2 g-1) 。 ② 3DG 及N-3DG 的人体感应和红外辐射感应研究 基于3DG 及N-3DG 快速的电荷转移，探究了其在新型感应器领域的应用。首 次发现手部可以引起开路电压的即时上升（900mV ）和下降，而持续感应可引起电 压持续保持上升值(～700mV) 。该现象目前无可查阅相关文献报道。将电路闭合后， 电流呈现振幅～50nA 的正弦曲线状，红外辐射也可以感应3DG 电极，从而引起其 振幅的衰减10%。 ③ 3DG 基线状Co O 纳米复合材料的高性能超级电容器研究 3 4 为进一步改善石墨烯堆叠，采用泡沫镍(NF)为骨架模板和控制低量 GO 浓度 的水热法制备薄层3DG-NF （～50μg cm-2 ）。并将其与具有极大理论比电容但导电 性不佳及稳定性较差的Co O 进行复合得到Co O /3DG-NF 电极材料。研究表明， 3 4 3 4 这种薄层 3DG-NF 可以改善石墨烯的堆叠，同时提高Co O 的分散性。电化学测 3 4 试发现，薄层3DG 不仅将Co O 的比电容从512.0 F g-1 提高到965.9 F g-1，还将 3 4 I 重庆大学硕士学位论文 8000 圈循环稳定性能提高了4.8% 。 这项工作为相关3DG的高效制备提供了参考，还为人体传感器、生命探测仪 及超级电容器等应用领域提供了实验基础。 关键词：三维石墨烯；电荷转移；人体感应；红外辐射感应；超级电容器 II 英文摘要 Abstract Graphene is a two-dimensional material, in which