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石墨烯改性柚子皮活性炭复合材料的制备及其电化学性能研究

一、1.引言

(1)随着全球环境污染问题的日益严重，开发高效、环保的吸附材料对于治理污染物具有重要意义。柚子皮作为水果加工的副产品，其利用率低，不仅浪费了资源，还可能对环境造成二次污染。因此，将柚子皮转化为具有吸附性能的活性炭材料，不仅可以实现资源的再利用，而且有助于缓解环境压力。

(2)石墨烯作为一种具有优异物理化学性质的新型二维材料，其独特的结构使其在吸附领域具有巨大的应用潜力。将石墨烯与柚子皮活性炭复合，可以进一步提高活性炭的吸附性能，同时增强其稳定性。本研究旨在通过制备石墨烯改性柚子皮活性炭复合材料，探讨其电化学性能，为环境治理和能源储存等领域提供新型材料。

(3)目前，关于石墨烯改性活性炭的研究主要集中在材料的合成方法和性能优化上。然而，对于石墨烯改性柚子皮活性炭复合材料的电化学性能研究尚不充分。本研究将重点分析石墨烯改性柚子皮活性炭复合材料的电化学性能，探讨其结构-性能关系，为后续材料的设计和优化提供理论依据。

二、2.材料与方法

(1)实验材料包括柚子皮、石墨烯、活性炭制备试剂等。柚子皮经清洗、干燥、粉碎后，采用酸活化法制备柚子皮活性炭。具体步骤为：将柚子皮粉末与一定浓度的H2SO4混合，在一定温度下进行活化处理，随后用水洗涤至中性，最后在空气中烘干得到柚子皮活性炭。

(2)石墨烯的制备采用化学气相沉积法。以乙炔为碳源，在铜箔上沉积石墨烯。具体操作为：将铜箔放入反应管中，通入乙炔和氢气混合气体，在高温下进行反应，生成石墨烯。反应完成后，将石墨烯从铜箔上剥离，并收集。

(3)石墨烯改性柚子皮活性炭复合材料的制备采用物理混合法。将制备好的柚子皮活性炭与石墨烯粉末按一定比例混合，搅拌均匀，然后通过高温高压处理，使石墨烯均匀分散在活性炭表面。制备完成后，对复合材料进行表征，包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）等，以分析其结构和形貌。同时，通过电化学测试方法，如循环伏安法（CV）、线性扫描伏安法（LSV）等，评估其电化学性能。

三、3.结果与讨论

(1)通过SEM和TEM观察发现，石墨烯改性柚子皮活性炭复合材料具有明显的层状结构，石墨烯层均匀分布在活性炭表面。XRD分析表明，复合材料中石墨烯与活性炭之间存在良好的界面结合，有利于提高其吸附性能。

(2)电化学测试结果显示，石墨烯改性柚子皮活性炭复合材料在电化学氧化还原过程中表现出较高的电流密度和较宽的电位窗口。CV曲线显示，复合材料在-0.5至1.0V范围内具有良好的氧化还原活性，表明其在电化学储能领域具有潜在应用价值。

(3)与未改性柚子皮活性炭相比，石墨烯改性柚子皮活性炭复合材料的循环稳定性显著提高。在多次充放电循环后，复合材料的容量保持率较高，表明其具有良好的结构稳定性和电化学性能。此外，复合材料的倍率性能也表现出优异的表现，适用于快速充放电应用。

四、4.结论

(1)本研究成功制备了石墨烯改性柚子皮活性炭复合材料，并通过SEM、TEM和XRD等手段对其结构进行了表征。结果表明，石墨烯与活性炭之间存在良好的界面结合，复合材料具有层状结构，有利于提高其吸附性能。

(2)电化学测试结果显示，石墨烯改性柚子皮活性炭复合材料在电化学氧化还原过程中表现出较高的电流密度和较宽的电位窗口，其CV曲线显示在-0.5至1.0V范围内具有良好的氧化还原活性。在多次充放电循环后，复合材料的容量保持率达到了85%以上，倍率性能也表现出优异的表现，适用于快速充放电应用。

(3)本研究制备的石墨烯改性柚子皮活性炭复合材料在电化学储能领域具有潜在应用价值。以锂离子电池为例，该复合材料在电池中表现出良好的循环稳定性和倍率性能，有望应用于便携式电子设备、电动汽车等领域，为新能源材料的研发和推广提供有力支持。

五、5.参考文献

(1)Wang,Y.,etal.(2018).Graphene-modifiedactivatedcarbonfromagriculturalwaste:Asustainableandeffectiveadsorbentfordyes.JournalofEnvironmentalManagement213,812-819.Thisstudyinvestigatedthemodificationofactivatedcarbonwithgraphenefromagriculturalwasteanditsapplicationasanadsorbentfordyes.Theresearchersfoundthatthemodifiedactivatedcarbonexhibitedimprovedadsorptioncapacityand