直立石墨烯/三维多孔网络复合材料的设计与无催化、自组装、可控合成及其电化学电容性能研究

This project investigates the synthesis of well aligned graphene/carbon nanotube (AG/CNT) composites by using plasma enhanced chemical vapor deposition via a catalyst-free, self-assembly, and highly controllable process, and studies the influences of experimental parameters on the ultimate morphology of the AGs and discusses their growth mechanism. Based on their catalyst-free and low substrate-dependence growth traits, AGs will be fabricated on three dimensional (3D) porous networks such as porous carbon and porous metal, forming AG/3D porous network (AG/3DPN) composites, and the relationship between the morphology of the composites and their electrochemical capacitance performance will be studied. The AG/3DPN composites will be optimized by approaches such as changing the electrolytes, compositing with metallic oxide mateirals having pesudocapacitance performance (MnO2, RuO2, etc.) to obtain electrode materials with high specific power density, high specific energy density, and high rate capability. In comparison with the conventional graphene-based electrodes prepared by using pure physical blending methods, the self-assembled AG/3DPN composites proposed in this project will play a key role in reducing the internal resistance (IR) of the electrodes, promoting the utilization of the large specific surface area of the graphenes, and increasing the thickness of the region of effective electron double layer. This study will shed light on the development of high-performance supercapacitors by providing reliable experimental and theoretical basis, and additionally, it may also find applications in fabricating high-performance hydrogen storage materials and high-performance electrode materials for Li-ion batteries.

本课题通过在碳纳米管上用等离子体增强化学气相沉积法无催化、自组装合成形貌高度可控的直立石墨烯，探讨实验参数对石墨烯形貌的影响及石墨烯的生长机理；将石墨烯无催化、低基底依赖性的生长特点应用到三维多孔网络（多孔碳、多孔金属）结构中用于合成直立石墨烯/三维多孔网络复合材料，并研究该复合材料的形貌对其电化学电容性能的影响；通过对直立石墨烯/三维多孔网络复合电极材料进行优化设计，如更换电解液、与赝电容金属氧化物材料（MnO2、RuO2等）复合等，获得高比功率密度、高比能量密度、高倍率特性的超级电容器电极材料。相比于传统纯物理混合法制备的石墨烯基复合电极材料，直立石墨烯/三维多孔网络复合电极材料对降低电极内阻、提高石墨烯比表面积利用率、增加双电层区域厚度有着重要意义。本课题研究将为高性能超级电容器的开发提供可靠的实验和理论基础，此外，其对高性能储氢材料、锂电电极材料的开发也有重要的借鉴意义。

碳纳米管和石墨烯由于其独特的结构，优异的电学性能，在诸多方面都展现了不错的应用前景。目前，有关二者的制备工作已广泛开展，但将二者组合到一起构成自组装复合材料的研究还较少，本课题正是基于此开展的。. 我们围绕以下7个方面开展了一系列工作。. 1.系统研究了实验参数对石墨烯/碳纳米管复合材料形貌的影响。我们可以通过调节碳源气浓度、微波功率、生长时间、基底温度等实验参数来控制石墨烯片的尺寸、厚度、分布密度等形貌，基本实现了石墨烯/碳纳米管复合材料的形貌可控制备。. 2.探讨了石墨烯片的形核和生长机理，给出了石墨烯片的缺陷形核机制以及活性碳原子扩散引导下的二维生长机制。. 3.研究了不同形貌的石墨烯/碳纳米管复合材料的场发射性能，获得了高性能的场发射阴极材料。所得形貌优化复合材料的开启电场可低于0.80V/μm，最大场发射电流密度可达85.10mA/cm2，在各种电流密度下表现出了很好的场发射稳定性，例如，当平均场发射电流密度高达20.43mA/cm2时，复合材料在30小时内电流无衰减。. 4.载能离子辐照对碳纳米管场发射性能影响规律的研究。通过研究不同离子在不同剂量下辐照碳纳米管时对其场发射性能的影响，得出真正影响碳纳米管场发射的是材料的辐照损伤而非掺杂。. 5.通过控制碳源气浓度、微波功率等实验参数，实现了在多孔金属、碳纳米管膜等柔性三维多孔材料中形貌可控制备石墨烯片。. 6.研究了石墨烯片/三维多孔复合材料的场发射性能，发现所得复合材料具有柔性、开启场低、电流密度大、稳定性好的特点。. 7.通过制备不同形貌的石墨烯片/三维多孔复合材料、与赝电容材料复合、改变电解液等手段，研究了复合材料的电容性能，但发现效果并不理想，分析原因可能是材料的有效比表面积不够大，目前正在进行进一步探讨。. 我们所制备的石墨烯/碳纳米管复合材料基场发射阴极材料在高性能真空场电子器件、可穿戴电子产品研究方面具有不错的前景，所提出的石墨烯片的形核生长机理也可为一些其它微纳材料的制备提供一定的理论支持。