天然石墨制备石墨烯基复合物及其吸附和电化学性能研究

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石墨烯广阔的应用前景极大地提升了天然石墨的资源价值。天然石墨因具有储量丰富、结晶度高且稳定等优点而成为氧化还原法制备石墨烯的主要原料之一。因此，详细研究由不同结晶形态的天然石墨制备的氧化石墨烯(GO)和还原氧化石墨烯(rGO)基复合物的微观结构、吸附和电化学性能，对建立rGO基复合物的应用方向与天然石墨原料之间的关联性，拓展rGO基复合物的应用范围和高效利用储量有限的天然石墨资源具有重要的意义。主要的研究内容和结论如下： (1)以结晶形态不同的鳞片石墨(FG)、致密结晶块状石墨(LG)和隐晶质石墨(AG)为原料制备氧化石墨(GrO)和GO，详细研究了天然石墨的结晶形态对其氧化和GrO剥离过程的影响规律。研究发现，石墨化度低、比表面积大、缺陷多和晶粒小的石墨比较容易氧化，氧化产物GrO的氧化度高、剥离较易，且剥离产物GO的产率大、氧化度高、1~2层薄片含量多。天然石墨的结晶形态通过影响其氧化途径和氧化度来影响GrO的剥离过程。 (2)分别以GO-FG、GO-LG和GO-AG为吸附剂进行Pb(II)吸附性能研究。对比发现GO-AG表现出了最好的Pb(II)吸附性能。机理研究结果表明Pb(II)主要与GO表面的羟基和羧基发生络合反应，不同的GO薄片通过-O-Pb-O-键桥联在一起呈单层的水平排列或者多层的垂直堆叠，GO表面的活性吸附位点主要位于其边缘。 (3)进一步验证了GO-AG对亚甲基蓝(MB)的吸附性能，并研究了异质离子对MB脱除效果的影响。研究发现GO-AG对MB的最大吸附量可达2273.59 mg/g，远大于其他种类石墨原料制备GO的，进一步证明了AG适合作GO基复合物类吸附剂的制备原料。异质离子会对MB的脱除效果产生一定程度的影响，且GO和ClO4-在脱除MB的过程中存在协同作用。 (4)用化学还原法分别将三种GO还原成rGO，电化学测试结果显示rGO-FG表现出了最好的电化学性能，说明FG适合作石墨烯基复合物类电极材料的制备原料。此外，三种rGO的表征结果显示rGO-FG的缺陷度最低、还原度最高和1~2层薄片含量较多。天然石墨的结晶形态通过影响其氧化途径和GO的氧化度来影响GO的还原过程。 (5)以FG制备的四种不同氧化度的GO为前驱体，采用水热法合成了四种石墨烯/钴铝-层状双氢氧化物复合物。研究发现，rGO/CoAl-LDH中基底rGO的含量及其缺陷等都随着GO氧化度的增加而增多，导致复合物的电化学性能呈先增加后降低的趋势。由最佳氧化度的GO制备的rGO/CoAl-LDH的电化学性能最好。 (6)以FG制备的GO为前驱体，采用两步水热法合成了氟化石墨烯/钴铝-层状双氢氧化物复合物(FrGO/CoAl-LDH)。研究发现，FrGO/CoAl-LDH中F的相对原子含量随着氟化时间的延长而增加，且-CF键逐渐向富含氟的基团(如-CF2和-CF3)转变。由最佳氟化度的FrGO制备的FrGO/CoAl-LDH表现出了最好的电化学性能。

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作者
彭伟军;
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作者单位

武汉理工大学;

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授予单位武汉理工大学;
学科矿业工程
授予学位博士
导师姓名宋少先;
年度 2017
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类
关键词
天然石墨; 制备; 烯基; 复合物; 吸附; 电化学;

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