三維多孔摻雜石墨烯的制備研究

武兆堃　李鑫　張海洋　楊文耀　楊亞杰

【摘 要】本文在不同的PH值下采用水熱還原法，制備了三維多孔石墨烯電極材料。通過掃描電鏡（SEM）、氮氣吸脫附（BET）等方法表征分析了材料的微觀形貌及比表面積；通過物理承重測試，測試了材料的機械性能。結(jié)果表明，當(dāng)PH值為11時，制備的三維多孔石墨烯具有較好的微觀性能，呈現(xiàn)出微觀多孔結(jié)構(gòu)，具有較大的比表面積（BET多點比表面積792.91m2/g）及良好的機械性能（承受較大壓力時無明顯形變）。

【關(guān)鍵詞】三維石墨烯，多孔結(jié)構(gòu)，水熱法，電化學(xué)，超級電容器

0 引言

石墨烯是由單層碳原子組成的新型二維碳納米材料[1-3]，因其眾多獨特而優(yōu)異的理化特性，已成為近年來材料科學(xué)領(lǐng)域中最耀眼的明星材料。通過制備不同微納米結(jié)構(gòu)的三維石墨烯材料，可有效調(diào)控石墨烯的電學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、機械和催化特性。近期研究發(fā)現(xiàn)，基于三維石墨烯構(gòu)建的功能器件在儲能、環(huán)境、傳感及生物分析領(lǐng)域表現(xiàn)出更為突出的性能[4-6]。

本文在以氧化石墨烯溶膠（GO）為前驅(qū)體，PH采用水熱還原法將不同PH值的GO還原成三維多孔石墨烯（3DGN）。

1 實驗部分

1.1 氧化石墨烯分散液的制備

本實驗采用改進的hummers法制備了GO溶膠，并稱取一定量GO溶膠，以去離子水為稀釋劑，通過磁力攪拌、超聲分散將其稀釋成2mg/mlGO分散液。

1.2 三維多孔石墨烯的制備及測試

課題組以氨水為酸堿度調(diào)節(jié)劑，分別制備了PH值為3.2、7、9、11的GO分散液。并通過水熱反應(yīng)法[7-8]，在180℃高溫下，將上述四種GO分散液還原成3DGN（如圖1所示），所獲得的樣品分別記為PH-3.2、PH-7、PH-9、PH-11。

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)構(gòu)表征分析

（a）PH-3.2 （b）PH-7 （c）PH-9 （d）PH-11

圖1 不同PH值制備的三維多孔石墨烯

不同PH值條件下，制備的3DGN呈現(xiàn)出不同的外觀特征：在酸性條件下（PH-3.2），石墨烯破碎，不具有立體結(jié)構(gòu)（見圖1（a）））；中性條件下（PH-7），石墨烯具有較好立體結(jié)構(gòu)，但有部分散亂的碎片出現(xiàn)（見圖1（b））；在相對弱堿性條件下（PH-9），所制的石墨烯具有完整的圓柱體結(jié)構(gòu)，且體積明顯大于中性條件下所制備的石墨烯（見圖1（c））；在相對強堿性條件下（PH-11），三維石墨烯也呈現(xiàn)出完整的圓柱體結(jié)構(gòu)（見圖1（d）），且表面光滑，具有最大的體積，說明當(dāng)PH值為11時，所制備的石墨烯具有良好的三維結(jié)構(gòu)。

圖2為堿性條件（PH-11）下所制備得到的石墨烯掃描電鏡圖。從圖2a中可以很清楚的看到產(chǎn)物具有石墨烯的片層結(jié)構(gòu)，從放大圖（圖2b）中可以更加清晰的看到石墨烯的片層褶皺結(jié)構(gòu)，說明已經(jīng)成功制備出了石墨烯。從圖2中，還能發(fā)現(xiàn)，石墨烯材料具有明顯的孔洞結(jié)構(gòu)，說明石墨烯材料具有較大的比表面積。

（a）3DGN（PH-11）氮氣吸脫附曲線圖 （b）3DGN（PH-11）孔徑分布圖

通過對3DGN（PH-11）的BET多點比表面積分析，測試出該材料的比表面積為792.91m2/g；通過孔徑分析，發(fā)現(xiàn)3DGN（PH-11）的孔徑主要分布在2～5nm區(qū)間，說明3DGN（PH-11）的確具有較大的比表面積，這與SEM分析結(jié)果一致。

2.2 力學(xué)性能測試

（a）無重物（b）1片玻璃板（c）4片玻璃板（d）7片玻璃板

為研究3DGN的機械性能，采用相同條件下所制備了4組3DGN（PH-11）。在4個相同且等距的3DGN上放置具有一定質(zhì)量的物體，測試其機械性能：首先在其上添加一片玻璃板，發(fā)現(xiàn)其并沒有較大的形變（圖4b）；添加4片玻璃板后，基本無形變（圖4c）；添加7片玻璃板后（圖4d），3DGN仍然無明顯形變出現(xiàn)。證明了PH為11條件下制備的3DGN具有良好的機械性能。

3 結(jié)論

本文通過改變水熱反應(yīng)法前驅(qū)體氧化石墨烯的PH值，制備了不同的三維多孔石墨烯，當(dāng)PH值為11時，三維多孔石墨烯表現(xiàn)出較好的綜合性能，呈現(xiàn)出微觀多孔結(jié)構(gòu)，其比表面積為792.91m2/g；能承受較大壓力，無明顯形變，具有良好的機械性能，說明該材料具有較好的應(yīng)用前景。

【參考文獻】

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