聚多巴胺功能化石墨烯复合材料的制备及其吸附和储钠性能研究
由于具有优异的材料特性，石墨烯近年来在基础研究和工程应用领域受到了广泛的研究。然而，石墨烯片层较差的分散性和不可逆的堆叠，导致无法充分发挥其诸多优异特性，极大的阻碍了石墨烯的实际应用。因此，需要寻求一种有效的策略对石墨烯进行功能化修饰赋予其多功能特性，以充分发挥石墨烯的优异特性。为此，本论文以氧化石墨烯(GO)为基体材料，设计和构建了聚多巴胺(PDA)功能化石墨烯复合材料体系。通过共价修饰、纳米复合和组装体构筑三种技术途径，充分发挥石墨烯本身的优异特性并赋予其多功能特性，从而解决石墨烯材料实际应用中面临的瓶颈问题。本论文利用PDA对GO片层进行化学还原和功能化修饰，并通过独特的结构设计，实现石墨烯与多壁碳纳米管(MWCNT)、硫化锑(Sb2S3)和二硫化钼(MoS2)等纳米材料的复合，从而构建一系列新型功能化石墨烯复合材料，并将其应用于污染物吸附和钠离子电池(SIBs)。 (1)通过可行的绿色路线制备了超轻且坚固的碳纳米管/还原氧化石墨烯杂化气凝胶，并将其应用于重金属离子的高效吸附。将PDA修饰的多壁碳纳米管(MWCNT-PDA)引入到GO体系中。利用PDA的还原性和粘附性促进GO片层的自组装，并对GO片层进行功能化修饰。在杂化气凝胶的成型过程中不需要额外的还原剂，从而大大减少了污染排放。适量的MWCNT-PDA为杂化气凝胶提供了优异的结构稳定性，有效地防止了GO片层的堆叠，并且提供充足的活性位点以增强对Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的吸附。在高的比表面积、丰富孔道和充足活性位点的协同作用下，该杂化气凝胶显示出对Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的高吸附容量分别为318.47和350.87mgg-1。研究表明杂化气凝胶的主要吸附机理涉及典型的化学吸附和颗粒内扩散。因此，出色的吸附性能和易于分离的优势，使杂化气凝胶成为污染物吸附实际应用中的理想吸附剂。 (2)通过水热自组装、孔隙结构设计和热退火处理的结合构建了碳纳米管/石墨烯分层多孔复合气凝胶(GCPCA)，并用于高效清除水体中的有机污染物。将MWCNT-PDA引入到石墨烯气凝胶骨架中对GO进行化学还原和功能化修饰。适量的碳纳米管可以为复合气凝胶提供所需的结构稳定性、疏水性和额外的比表面积。同时，通过优化微孔结构可以改善GCPCA的最终吸收性能。随着预冻温度降低到-80℃，获得了新颖的“类卷心菜状”定向排列的分层多孔结构，孔道的微型化增强了气凝胶通道中的毛细管流动，GCPCA对有机溶剂(氯仿)的吸收容量高达自身质量的501倍。结合多种技术制备得到的GCPCA具有三维的连续多孔结构、出色的可重复压缩性、超轻的密度、高疏水性和耐疲劳性，这对于高效吸收有机污染物至关重要。GCPCA在吸收-挤压，吸收-燃烧和吸收-蒸馏的循环中均表现出出色的可重复利用性能。因此，具有独特性能的GCPCA在油污净化和化学工业废水的处理中具有广阔而重要的应用前景。 (3)通过石墨烯片层将具有理想纳米结构的Sb2S3纳米管均匀地封装以构建功能化复合气凝胶，并作为SIBs的高性能负极材料。巧妙地通过在Sb2S3纳米棒上包覆PDA层以构建具有独特结构的复合气凝胶。PDA不仅用作还原剂和粘结剂协助构建石墨烯气凝胶，而且充当氮掺杂碳层的前驱体可抑制充放电过程中Sb2S3的结构破坏。此外，氮掺杂碳层在Sb2S3与石墨烯之间形成强的相互作用，从而提高气凝胶负极材料的结构稳定性。功能化复合气凝胶将高的导电性，丰富的多孔通道和出色的电化学反应性协同地结合。因此，复合气凝胶负极在0.2Ag-1下经过200次循环后展现出368mAhg-1的高比容量并且具有优异的快充性能和长循环稳定性。此外，由复合气凝胶负极和Na3V2(PO4)3(NVP)正极组装的全电池器件在0.1Ag-1下表现出388mAhg-1的高比容量和189Whkg-1的显著能量密度，展现出极大的实际应用潜力。 (4)设计和制造了由多孔氮掺杂石墨烯(N-RGO)定制的一体化MoS2纳米片，并作为SIBs的高性能负极材料。制备得到的新型复合负极材料表现出增强的电子电导率和出色的结构稳定性以及转换反应的高循环可逆性，归因于MoS2纳米片通过强耦合效应实现在N-RGO片层上定制生长。一体化MoS2纳米片将垂直排列、超薄层、空位缺陷和扩展的层间距等理想结构特性结合为一体，从而有效地改善电化学动力学和提高活性材料利用率。因此，MoS2@N-RGO复合负极在0.2Ag-1下循环200圈可获得329mAhg-1的比容量，并且在10和20Ag-1下分别获得219和149mAhg-1的比容量。由MoS2@N-RGO负极和NVP正极组装而成的全电池器件显示出高的比容量和高的能量密度，展现出极大的实际应用潜力。
钠离子电池;石墨烯;聚多巴胺;复合材料;储钠性能
北京化工大学
博士
材料科学与工程
隋刚
2021
中文
TM912.9
2021-09-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）