石墨烯基碳气凝胶的制备和电化学性能评估开题报告

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1. 研究目的与意义

石墨烯具有高导电率，高离子迁移率和良好的导热率，机械强度和柔韧性也非常优越，已经在能源、催化、电子和机械各领域广泛被研究。

由于石墨烯的高导电率和高迁移率，在超电容方面显示出优越的电容性能。

与二维石墨烯相比，三维石墨烯能够一定程度上防止团聚现象发生，同时具有更大的比表面积、更好的稳定性化及更高的利用率，有利于电解质扩散到电极材料内部网络和増加浸润性，改善其电化学性能。

2. 国内外研究现状分析

气凝胶是一类具有发达空隙结构的整体性材料，这种三维多空结构具有密度低、热导率小、空隙发达等优点而引起了研究者广泛的关注。石墨烯基气凝胶是一类新型的拥有较高孔隙率的多孔碳材料。由Wang等人于2009年首次被制备出来。目前，各种各样的制备方法已经被研究开发出来，例如原位还原交联、化学活化和模板导向法等。在2010年，Worsley等人报道了一种通过炭化还原间苯二酚甲醛树脂-氧化石墨烯气凝胶制备石墨烯气凝胶的方法。在2011年，张等人报导了一种特別简单的通过左氨酸诱导氧化石墨烯酸悬浮液进行反应和自联接形成石墨烯湿凝胶，然后干燥制得纯净的石墨烯气凝胶的方法。这种方法十分的重要，因为不再需要热解还原这步处理。除此之外，在2010年，Worsley等人将纯净的石墨烯气凝胶和间苯二酚甲醛-石墨烯气凝胶进行了一个全方面的对比讨论。目前关于石墨烯材料的研究发展仍是科学界一大热点，吸引了众多的眼球。然而，在三维石墨烯结构方面的文献是不多的。实际上，以往的报道多依赖氧化石墨烯悬浮液的稳定性来组装原始的氧化石墨烯孔结构，然后再经过高温热还原一步处理得到三维石墨烯网状结构。氧化石墨烯溶液经由超声凝胶化、干燥和高温热还原等过程转变成为石墨烯气凝胶。但这些稳定石墨氧化物的物质通常价格高，且需要较高温度才能去除或碳化。以泡沫镍为模板制备石墨烯气凝胶已被大量研究报道，利用强酸溶液去除模板镍，但依然存在镍残留的问题。

3. 研究的基本内容与计划

用基于纤维素气凝胶骨架来制备石墨烯气凝胶，首先制备出氧化石墨烯/纤维素纳米晶的三维气凝胶，在不同的温度和还原气氛下制备石墨烯气凝胶，并通过压成薄膜，组装成超级电容器三电极，测试其比容、循环性能、倍率性能、能量密度和功率密度，并与传统制备工艺进行比较。具体实验内容与计划如下：

1）利用氧化石墨法将石墨氧化成氧化石墨，一般的方法有brodie法、hummer法。

2）利用纤维素按不同比例制备通过冷冻干燥氧化石墨/纤维素纳米晶的三维气凝胶。

4. 研究创新点

基于纤维素气凝胶骨架来制备石墨烯气凝胶，过程简单易于控制，经还原的石墨烯气凝胶在电化学领域有着广阔的应用和发展前景。