石墨烯-半導體納米復合材料的制備及其光電化學性能研究.pdf

1、石墨烯是由碳原子緊密連接成蜂窩狀的一種單層二維結構碳材料。由于其具有優(yōu)異的物理化學性能,使得石墨烯及其功能復合材料的潛在應用前景良好,特別是應用于催化劑、能量存儲設備等領域,受到了廣泛的關注。
　　本文首先采用改良Hummers法制備了氧化石墨烯材料,然后嘗試通過多種途徑制備合成了多種石墨烯/半導體納米復合材料,探索研究了其光催化性能或者電化學儲鋰性能,并進一步探索了其相應的光催化機理或儲鋰機制。主要的研究工作內容包括:
　

2、　1.氧化石墨烯的制備與表征
　　以天然石墨為原料,采用改良的Hummers法制備氧化石墨烯(GO)。研究結果表明, GO為透明或半透明的單層或多層片狀二維結構,并帶有卷曲褶皺來保持二維片狀結構的熱力學穩(wěn)定性;GO表面含有較多的含氧官能團(如羥基、羧基、羰基等),具有許多無序、高氧化度的sp3平面和碳原子空位缺陷。
　　2.石墨烯/半導體氧化物納米復合材料的制備及其光催化性能研究
　　將光催化劑與石墨烯復合,一定程度上

3、有望提高改善光催化劑的光降解效率,值得我們繼續(xù)研究。
　　(1)采用了溶劑熱法將P25(商用TiO2)納米顆粒負載在石墨烯表面合成了TiO2-GE納米復合材料。實驗結果顯示 TiO2(B)相的TiO2-GE納米復合材料中,尺寸為15~20 nm的TiO2納米顆粒良好地分散在二維的石墨烯片上。同時其在亞甲基藍降解過程中顯示出優(yōu)異的光催化活性。這可能是由于石墨烯的引入,拓寬了光吸收的范圍,增強了光吸收強度,有效地改善光催化劑的光催化活

4、性,使T iO2-GE納米復合材料具有良好的潛在的應用前景。
　　(2)以GO和在二甘醇介質中回流醋酸鋅獲得的ZnO微米球為原料,采用凍干法將石墨烯包覆在了ZnO微米球表面制備出ZnO-GE納米復合材料。樣品的形貌結構測試表征顯示,透明的石墨烯所包覆的ZnO微米球是由無數六方纖鋅礦結構的晶體構成,且直徑約為100~400 nm。光催化降解亞甲基藍測試表明,相比于純ZnO微米球,ZnO-GE納米復合材料表現出更高的光催化效率。這種顯

5、著的光催化性能提高可能是由于石墨烯的引入,增強了對污染物的吸附作用;拓寬了光吸收的范圍,促進了光生電子的高速傳輸,從而獲得了較高的光催化性能。
　　3.石墨烯/半導體納米復合材料的制備及其電化學儲鋰性能研究
　　石墨烯獨特的性質使得其非常適合構造網狀結構的石墨烯基復合材料,改善鋰離子負極材料的電化學性能。
　　(1)采用高能球磨法將商業(yè)Si納米顆粒與石墨烯復合,制備出不同GE含量的Si-GE納米復合材料。結果表明Si納

6、米顆粒均勻地分散在柔軟的石墨烯片上。相比于純的Si納米顆粒電極,Si-GE納米復合材料電極顯示出較好的可逆比容量及循環(huán)性能。改善的電化學性能可歸因于S i-GE納米復合材料中,石墨烯起到了便捷的導電網絡作用確保傳遞電子的快速傳遞,改善了離子導電率及電荷遷移速率。同時,在鋰離子嵌入-脫出的過程中緩解了活性物質體積變化。
　　(2)通過水熱法,在不添加任何還原劑及表面活性劑的情況下合成了不同質量比例的TiO2-GE納米復合材料。測試結