激光诱导还原氧化石墨及其用于超级电容器电极材料研究

In this project, focused laser beam induced self-propagating reaction has been developed for the fabrication of graphene rapidly and efficiently via exfoliation and reduction of graphite oxide (GO) process. Additionally, the energy released from the self-propagating deoxygenation of GO can also be harnessed to drive new reactions for creating metal or metal oxide-graphene composites and doped graphene sheets through introduction of metal salts or heteroatom-containing compounds to the GO. The obtained graphene materials can be used as electrode materials for high performance supercapacitors. The two-electrode and three-electrode systems will be carried out to investigate their electrochemical properties in different electrolytes. By comparing the effect of different wavelength, working mode, power of the laser source on the reduction of GO, the relationship between capacitive behavior and the layers, size and surface of the obtained graphene materials will be further understood. This project aims to establish a simple and effective method for the rapid preparation of graphene materials with different structures, and study their application in supercapacitors, which will pave the way for the application of graphene materials in the area of energy storage and new electronic components.

本项目通过聚焦激光辐照氧化石墨引发的自蔓延脱氧反应实现快速、高效还原和剥离氧化石墨制备石墨烯。此外，通过向氧化石墨中引入金属盐或者含杂原子的化合物，利用氧化石墨自蔓延脱氧反应过程中释放的能量，可以实现金属/金属氧化物-石墨烯复合材料或杂原子掺杂石墨烯材料的一步制备。将所得到的石墨烯材料作为高性能超级电容器电极材料，采用两电极和三电极体系研究其在不同电解液中的电化学性质。通过研究不同波长、工作方式、功率的激光对氧化石墨的还原作用，进一步理解石墨烯材料的结构，如层数、尺寸、表面形貌等因素对电容行为的影响。本项目旨在建立简单、高效、快速制备不同结构石墨烯材料的方法，并将其用作高性能超级电容器电极材料，为石墨烯材料在能量存储方面应用和新型电子元器件等领域应用奠定理论和技术基础。

本项目通过发展新型方法制备高比表面炭基材料（石墨烯和多孔炭），进一步将其作为电极材料构筑超级电容器器件。在本项目实施期内，项目负责人仅仅围绕项目的研究目标和研究计划开展工作。取得主要结果如下：.(1) 发展激光自蔓延途径实现一步法剥离和还原氧化石墨得到高比表面积石墨烯材料，电化学表征表明产物具有优良的电化学电容性能；.(2) 发展激光自蔓延途径实现一步法制备出石墨烯-碳纳米管杂化材料然后在低KOH含量条件下活化进一步得到具有蜂窝状形貌的多孔石墨烯-碳纳米管杂化材料，结果表明该结构具有优异的电化学性能。.(3) 通过简单和环境友好的水热碳化后KOH活化的过程，以麦麸为前驱体制备得到蜂窝状结构的多孔炭， 电化学研究表明，该多孔炭在水系和有机系电解液中均呈现优异的电化学性质。.(4) 提出了NaOH-KOH熔盐共活化法制备多孔炭，研究表明通过熔盐法制备得到的多孔炭材料比用常规KOH活化法得到的多孔炭材料在大电流充放电条件下容量保持率显著提升。.(5) 以廉价的生物质为前驱体，一步碳化同时活化的办法合成出具有三维骨架的多孔炭材料，其在有机电解液中呈现优良的电容行为；.(6) 开展新型多孔炭纳米墙的合成，这种新型的炭材料在有机电解液中同样呈现较好的电容行为；.上述结果表明，通过发展新途径制备高比表面积多孔炭是获得优异性能的重要方法之一。