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(guò)掃描電鏡（SEM）、氮?dú)馕摳剑˙ET）等方法表征分析了材料的微觀形貌及比表面積；通過(guò)物理承重測(cè)試，測(cè)試了材料的機(jī)械性能。結(jié)果表明，當(dāng)PH值為11時(shí)，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(diǎn)比表面積792.91m2/g）及良好的機(jī)械性能（承受較大壓力時(shí)無(wú)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(jí)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(dú)特而優(yōu)異的理化特性，已成為近年來(lái)材料科學(xué)領(lǐng)域中最耀眼的明星材料。通過(guò)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(jī)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(chǔ)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(shí)驗(yàn)部分

1.1 氧化石墨烯分散液的制備

本實(shí)驗(yàn)采用改進(jìn)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(guò)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(cè)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)圖1（b））；在相對(duì)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(jiàn)圖1（c））；在相對(duì)強(qiáng)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(jiàn)圖1（d）），且表面光滑，具有最大的體積，說(shuō)明當(dāng)PH值為11時(shí)，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(shuō)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(shuō)明石墨烯材料具有較大的比表面積。

（a）3DGN（PH-11）氮?dú)馕摳角€圖 （b）3DGN（PH-11）孔徑分布圖

通過(guò)對(duì)3DGN（PH-11）的BET多點(diǎn)比表面積分析，測(cè)試出該材料的比表面積為792.91m2/g；通過(guò)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(shuō)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(cè)試

（a）無(wú)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(jī)械性能，采用相同條件下所制備了4組3DGN（PH-11）。在4個(gè)相同且等距的3DGN上放置具有一定質(zhì)量的物體，測(cè)試其機(jī)械性能：首先在其上添加一片玻璃板，發(fā)現(xiàn)其并沒(méi)有較大的形變（圖4b）；添加4片玻璃板后，基本無(wú)形變（圖4c）；添加7片玻璃板后（圖4d），3DGN仍然無(wú)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(jī)械性能。

3 結(jié)論

本文通過(guò)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(shí)，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(wú)明顯形變，具有良好的機(jī)械性能，說(shuō)明該材料具有較好的應(yīng)用前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1]朱華瑞.石墨烯基復(fù)合材料的性能及其應(yīng)用研究[D]. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 2014.

[2]Su P， Guo H L， Peng S， et al. Preparation of Nitrogen-Doped Graphene and Its Supercapacitive Properties[J].ACTA PHYSICO-CHIMICA SINICA， 2012， 28（28）：2745-2753

[3]李晨，張熊，等.三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)在超級(jí)電容器中的應(yīng)用[J].新型炭材料，2015，30（3）：193-206.

[4]常靖，岳紅彥，等.三維石墨烯材料的制備及在超級(jí)電容器中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].化工新型材料，2016（2）：9-11.

[5]高嵩.基于新型三維石墨烯的制備與應(yīng)用研究[D].遼寧大學(xué)，2013.

[6]石微微，晏菲，等.三維石墨烯材料制備方法的研究進(jìn)展[J].化學(xué)通報(bào)，2013，76（11）：988-993.

[7]徐麗，劉雙宇，等.三維石墨烯電極材料在鋰離子電池中的應(yīng)用[J].智能電網(wǎng)，2017，5（1）：94-98.

[8]張靈敏，郭新立，等.三維石墨烯的水熱法制備及其吸附性能研究[J].功能材料，2014，45（s2）：73-75.endprint