高分散石墨烯的制备、自组装及其在离子液体中的电化学性能研究

石墨烯由于其独特的二维结构及奇特的性质在储能和能量转换方面具有广阔的应用前景。本课题旨在设计一种高比表面积、高电导率石墨烯制备的新思路与新方法，同时探讨其在表面改性剂作用下的自组装行为，研究自组装体在离子液体中的电化学性能。.采用表面改性和冷冻干燥相结合的方法制备高比表面积、高电导率的石墨烯，研究表面改性剂种类和改性程度对石墨烯电导率、比表面积的影响及表面改性剂结构导向的石墨烯自组装规律；在定量表征石墨烯电极材料结构特征和表面官能团种类、含量的基础上，对比不同离子半径和结构的电解质分子，阐明电极材料/离子液体二元体系的最佳适配性原则，包括电解质与石墨烯之间的吸附-解吸过程和离子液体在石墨烯电极表面与内部离子与电子迁移动力学。试图从材料和电解质两方面同时提高比电容和耐受电压，从整体上提高电容器的能量密度。

本项目利用氧化石墨烯为原材料，通过一步水热法，成功制备了高分散的亲油（双亲）石墨烯，并实现了石墨烯的自组装，制备出结构可控的石墨烯三维宏观结构，将其直接压片成无粘结剂电极片，研究了功能化石墨烯的电化学性能。. 以商用石墨粉为原材料，利用Hummer’s法制备氧化石墨烯，通过一步水热法，对其进行表面改性。研究结果表明，利用油胺可以同时将氧化石墨烯改性和还原，得到在油性溶剂中分散良好的石墨烯。在同时添加油胺和聚乙二醇的情况下，改性后的石墨烯可成功分散于大多极性和非极性溶剂中，其中，在极性弱的溶剂如环己烷，甲苯中分散良，尤其在丙酮中可以静置长达一周仍仅有少量沉淀。 . 利用吡咯改性以及还原氧化石墨烯。利用傅立叶变换红外光谱仪、X射线光电子能谱、紫外可见分光光度计、X射线衍射、拉曼光谱和高分辨电子显微镜等考察吡咯与氧化石墨烯配比以及制备方法对石墨烯结构和表面性质的影响。利用电化学工作站表征材料的电化学性能。研究结果表明，利用水热法，吡咯不仅能够同时成功改性和还原氧化石墨烯，而且能够形成三维多孔结构。同时，我们首次研究发现，这种三维自组装结构的冷冻处理方式不同，材料的孔结构不同，导致电化学性能不同。直接将材料冷冻干燥，可以得到蜂窝状孔结构的三维结构，以此作为电极在大电流密度下仍保持良好的电化学性能，电流密度在1A/g时比电容仍然能够达到180F/g，相较0.01A/g时的比电容（218F/g）只下降20%左右，这主要得益于其大孔的通道作用和微孔的双电层作用以及氮原子的赝电容作用。而如果将材料预先冷冻处理，然后在进行冷冻干燥，得到的样品具有分散的层状结构,以此作为电极虽然在低电流密度下的比电容与直接冷冻干燥样品的比电容相当，但是在大电流密度下的比电容却下降严重。同时，加热干燥样品同预冷冻干燥样品具有类似的层状结构，但是层与层之间紧密堆叠。. 成功实现了石墨烯的三维自组装，首次创造性的利用氨水处理水热法制备的石墨烯水凝胶，制备具有高强度、体积和密度可控的石墨烯三维多孔结构材料。这种材料不仅具有新颖的发散状孔结构，而且具有发达的微米级的大孔和大的比表面积（350m2/g）。结构决定性能，这种新颖的结构将大大提高电解质离子的传输速度，在超级电容器中具有广阔的应用前景。