三维网络结构镍钴氢氧化物/石墨烯水凝胶复合材料的合成及电化学性能

本工作采用化学还原法对氧化石墨烯进行预还原,再将其与Ni(NO_(3))_(2)·6H_(2)O、Co(NO_(3))_(2)·6H_(2)O混合进行水热反应,得到三维网络结构镍钴氢氧化物/石墨烯水凝胶复合材料,通过调节氧化石墨烯的量获得电化学性能最佳的镍钴氢氧化物/石墨烯水凝胶(NiCo-OH/GH_(100)),镍钴氢氧化物纳米片均匀分布在石墨烯表面。0.5 A/g电流密度下NiCo-OH/GH_(100)的比容量为590 F/g,电流密度增加到10 A/g时比容量保持率为76.1%,展现出较高的比容量和良好的倍率性能。组装的NiCo-OH/GH_(100)//碳纳米管复合氮掺杂石墨烯水凝胶(NCGH)非对称超级电容器(ASC)在20 A/g下充放电循环10 000次,比容量保持率达92.9%,功率密度为375 W/kg时的能量密度达23.9 Wh/kg。

石墨烯气凝胶的压缩力学性能研究

为探究石墨烯气凝胶在防护领域的潜在应用,采用冷冻干燥法并控制冷冻温度变量制备不同的石墨烯气凝胶试样,进行单轴面内压缩力学实验;结合3D数字图像相关技术和扫描电子显微镜,分析变形模式与破坏机理。研究结果表明:冷冻干燥法制备的石墨烯气凝胶试样具有3D多孔网络结构、低密度(<33.93 mg/cm^(3))、高孔隙率(>98.5%)等特征,并具有受冷冻温度影响的特征微观结构;石墨烯气凝胶的压缩应力-应变曲线展现出多孔材料典型的三阶段特征,并且力学性能受冷冻温度的影响,-80℃所得石墨烯气凝胶的杨氏模量相较于-19℃提高160%,单位体积吸能提高67%;石墨烯气凝胶多次循环加载-卸载中随着内部致密区域的扩展,以塑性能为主的吸收总能趋于稳定不变,其状态变化可通过指数衰减模型描述;石墨烯气凝胶的横纵向片层不同的压缩变形形态发展为大规模的类弹簧型紧密折叠模式,使得石墨烯气凝胶表现出回弹性。所得研究成果为石墨烯气凝胶在防护领域的应用提供了理论与实践基础。

具有超疏水宽频吸波性能的磁功能化石墨烯气凝胶

三维“泡沫型”结构石墨烯气凝胶具有高比表面积及独特的多孔结构特性,使其成为了最具发展潜力的轻质宽频微波吸收材料。采用化学还原自组装法构筑含有金属乙酰丙酮络合物的石墨烯水凝胶,经冷冻干燥、原位热解过程成功制备Co磁性纳米粒子修饰的超疏水石墨烯气凝胶(Co@SMGA),通过粉末X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等手段测试表征复合材料的结构和物相组成,基于同轴法测试其电磁参数并利用Matlab模拟反射损耗。实验结果表明:煅烧温度对磁功能化石墨烯气凝胶复合材料的微波吸收性能有重要影响,煅烧温度450℃、超低填充量4 wt%的复合材料具有最优异的吸波性能,其最小反射损耗(RLmin)为-45.3 dB,匹配厚度为2.5 mm时,有效吸收带宽(EAB)达到6.5 GHz。

石墨烯复合气凝胶在矿井水污染治理的实践研究

针对煤矿在生产过程中产生的矿井水污染严重的问题,制备具有良好机械性能、油水双亲良好的GA-SA,并探究对矿井水中重金属离子、有机溶剂等污染物的吸附性能,分析GA-SA在矿井水污染治理的应用前景,为实际矿井水污染治理提供理论依据。吸附测试结果表明:GA-SC400具有较强的油水双亲性和机械稳定性,对MB和MO吸附能力较强,平均吸附量分别为68mg/g和22.9mg/g;对Pb^(2+)、Cd^(2+)、MB和正十二烷有较强吸附能力,Pb^(2+)、Cd^(2+)、MB吸附能力依旧维持在初始吸附能力的95.1%、97.4%、94.6%,正十二烷吸附循环后质量保持稳定;在某煤矿实际作业产生的矿井水中进行处理和应用,矿井水中污染物吸附率达到50%~60%,改善效果明显。

石墨烯复合气凝胶在水污染治理方面的应用分析

为提升GA材料的机械性能,实现水污染的有效治理,通过将天然橡胶乳液与GA的水性分散液混合制备GA/NRL,吸附测试结果表明:对MB正电性染料吸附效果好,且对轻油、重油有机溶剂的吸收量分别是自身质量130、276倍,吸油、吸水效果好。循环吸附效果表明:对十二烷的吸油能力随循环系数的增加而保持稳定,且经4次循环后,还能够将材料中70%左右的油去除,循环利用性能好。

基于硼掺杂石墨烯气凝胶阴极光子增强热电子发射特性研究

光子增强热电子发射(PETE)转换器是将光伏发电和热离子发电结合到一个单一的物理过程的能量转换器。本文采用了一锅水热还原工艺以及冷冻干燥工艺,分别以氧化石墨烯(GO)和硼酸作为碳(C)源和硼(B)源制备了硼掺杂石墨烯气凝胶(BGA),用自制装置测试了样品的PETE性能。硼原子掺杂可以调控石墨烯气凝胶的带隙,并且可以使石墨烯气凝胶呈现P型半导体特性,与未掺杂石墨烯气凝胶(GA)相比,BGA具有更好的PETE效应,其PETE电流(3.85 μA)约为GA (0.45 μA)的8.5倍。

钴氮改性石墨烯气凝胶催化PMS降解水中污染物

为探究钴氮改性对石墨烯气凝胶催化过一硫酸盐(PMS)降解污染物性能的影响,以氯化钴和氧化石墨烯(GO)作为前驱体,通过冷冻干燥和氨气热退火处理,成功制备了钴氮改性石墨烯气凝胶(Co-NGA)。采用SEM、BET等一系列测试手段对材料的形貌结构、元素组成和化学形态进行表征,并选择对羟基苯甲酸(p-HBA)作为目标污染物,测试气凝胶材料的催化活性。结果表明:石墨烯气凝胶具有独立的块体形貌和联通的三维多孔结构,钴和氮均匀地分布在石墨烯片层表面;当CoCl_(2)添加量为1.5 mg/mL以及GO质量浓度为2.0 mg/mL时Co-NGA展示出最高的催化活性,在60 min内对p-HBA的去除率超过98%,反应速率常数达到0.096 min^(-1),远高于GA(0.008 min^(-1))、NGA(0.011 min^(-1))和Co-GA(0.019 min^(-1))的反应速率常数,在较宽的pH值范围(3~11)和复杂离子环境下均能保持良好的催化活性;Co-NGA/PMS体系是一个以非自由基电子转移为主导的反应体系,对一系列富电子污染物具有良好的去除能力。

用于实验教学的石墨烯气凝胶制备及性能研究

根据能源化工专业实验的学科需求,设计了可作为超级电容器电极的石墨烯气凝胶构筑实验。以氧化石墨为原料,以吡啶为诱导自组装试剂,自主调控实验条件,并采用多种手段对实验现象进行观察、分析以及总结。所设计的实验简单可行,且易于扩展。本实验设计的最大特点是可以通过宏观现象的观察对实验是否成功进行初步判断,从而强化学生对石墨烯气凝胶的直观印象。该项实验的实施有助于深化学生对当前科技前沿的认识,增强学生用所学理论知识解决实际问题的能力,强化学生的创新思维,进而培养出高素质的能源化工专业人才。

石墨烯气凝胶的制备及在污水处理中的应用

通过对石墨烯(GN)与石墨烯气凝胶(GA)的制备介绍,对目前GA在污水处理中的相关应用研究进行了叙述。综述了GA的吸附能力,以及在去离子电容技术(CDI)和GA作为催化剂载体的应用,并对GA在污水处理中的作用前景进行了展望。

石墨烯基气凝胶吸附材料在空气净化领域的研究进展

综述石墨烯气凝胶的制备方法及石墨烯基气凝胶作为吸附材料在空气净化领域中的应用现状,总结目前石墨烯气凝胶材料存在的问题,并对石墨烯气凝胶在空气净化吸附方面的未来发展方向提出展望。结果表明:石墨烯气凝胶是一种具有大比表面积、高孔隙率、多吸附位点的良好空气净化材料,经改性后的石墨烯气凝胶对气体污染物具有可观的化学吸附能力,结合自身物理吸附性能,成为了近年来备受关注的空气净化材料之一。

氮掺杂石墨烯气凝胶锚定RuP纳米粒子用于水合肼氧化辅助产氢

氢能是替代传统燃料的理想清洁能源。电解水析氢由于其环保和低成本的特性而受到广泛关注,然而,阳极析氧反应(OER)的缓慢动力学降低了制氢效率。因此,肼氧化反应(HzOR)以其低的理论电压电位(−0.33 V vs.RHE)成为了OER的合理替代方案。本工作中,以三维多孔的石墨烯气凝胶(GA)为导电基底,将Ru^(Ⅲ)-聚乙烯亚胺(Ru^(Ⅲ)-PEI)配合物吸附在GA表面。通过植酸(PA)和PEI之间的氢键相互作用GA进一步吸附PA,形成Ru^(Ⅲ)-PEI-GA-PA复合物。对Ru^(Ⅲ)-PEI-GAPA复合物前驱体进行磷化后,合成了锚定在N掺杂GA上的RuP纳米粒子(RuP/N-GA)。在热解过程中,在GA表面形成了超小的RuP纳米粒子。此外,PEI和PA的分解可以将丰富的N和P杂原子引入GA的结构中。因此,RuP/N-GA复合物具有高效的HzOR性能,在10 mA∙cm^(−2)时的工作电位低至−54 mV。此外,这种低Ru负载的新型RuP/N-GA复合物具有良好的析氢反应(HER)活性,电流密度为10 mA∙cm^(−2)时的HER过电势为−19.6 mV。在各种RuP/N-GA复合物中,RuP/N-GA-900具有最小的HER塔菲尔斜率(37.03 mV∙dec−1),表现出了最快的HER动力学。同时也表明RuP/N-GA-900的HER过程具有与Pt类似的Heyrovsky机制。理论计算结果表明,锚定结构和N杂原子的存在可以促进肼在RuP纳米粒子上的氧化。肼分子吸附在RuP/N-GA上的自由能为−0.68 eV,表明掺杂的N可以调节Ru活性位点的电子结构,有助于增强Ru的HzOR活性。此外,RuP/N-GA复合物对HER和HzOR均表现出优于商业Pt/C的循环稳定性和长期稳定性。基于RuP/N-GA复合物的双功能活性,所构建的双电极肼分解系统在10 mA∙cm^(−2)下表现出41 mV的极低分解电压就可以产氢,实现了低电压下节能制氢的目标。RuP/N-GA复合物优异的电催化活性归因于超小的RuP纳米粒子提供了丰富的Ru活性位点。此外,GA骨架中N的掺杂与RuP纳米颗粒之间的协同效应有助于提高RuP/N-GA复合物的活性。三维多孔的N-GA加速了电荷转移和传质过程,并且N-GA和RuP纳米粒子之间的相互作用增强了RuP纳米粒子对HER和HzOR的电催化活性。这项工作提出了一种HzOR辅助制氢的双功能电催化剂,并为通过吸附-磷化法设计和合成先进电催化剂提供了新思路。

磷掺杂还原氧化石墨烯/聚苯胺复合水凝胶的制备及性能研究

石墨烯/聚苯胺复合材料作为超级电容器的自支撑电极材料具有巨大的潜力。以磷酸为磷源的水热还原法制备磷掺杂还原氧化石墨烯(P-rGO)水凝胶,再以P-rGO水凝胶为基质在3种溶剂(正己烷、水和四氯化碳)中负载聚苯胺,合成磷掺杂还原氧化石墨烯/聚苯胺(P-rGO/PANI)复合水凝胶。利用X射线衍射、扫描电子显微镜表征产物的微观形貌与结构,运用电化学工作站测试该材料的电化学性能。以1 mol/L的H_(2)SO_(4)溶液为电解质,经过1000圈循环测试后,材料的比电容保持率均为81%以上,表明其有作为超级电容器电极材料的潜质。该研究为开发出低成本、高性能的超级电容器电极材料提供了实验依据和理论指导。

石墨烯/卟啉复合气凝胶的制备与性能研究

石墨烯气凝胶既有石墨烯材料固有的柔性及优异的电学、力学性能,同时又具有高比表面积、低密度、大孔隙率等特点,其独特的三维结构有利于引入其他功能材料,从而赋予复合材料更为优异的性能。原卟啉分子具有高度共轭结构,并且与金属离子配位结合后可发挥催化功能。鉴于此,本工作利用原卟啉分子与石墨烯片层的π-π相互作用,在石墨烯气凝胶上组装一定浓度的原卟啉分子,从而制备了石墨烯/卟啉复合气凝胶材料。该方法工艺简单,容易操作。本工作分析了复合气凝胶材料的微观形貌和成分组成,研究了原卟啉分子的组装对石墨烯气凝胶导电性能的影响,以及石墨烯/卟啉复合气凝胶对硝酸根离子(NO_(3)^(-))的检测作用。研究结果表明所制备的复合材料具有均匀的三维多孔结构,原卟啉分子的引入可以显著降低石墨烯气凝胶的电阻,而三维气凝胶结构可以有效地实现原卟啉与石墨烯的复合并实现对NO3-的灵敏检测。

石墨烯季铵基水凝胶对阴离子染料的高效吸附机理研究

采用水热合成法制备了石墨烯基水凝胶(GH),并成功嫁接季铵基制备了石墨烯季铵基水凝胶(GHP)。采用扫描电镜、元素分析、红外吸收和Zeta电位对GHP理化性质进行了表征,考察了不同pH下GHP对阴离子染料甲基橙(MO)的吸附。结果表明:(1)GHP对MO的吸附行为更符合Langmuir和拟二级动力学模型,表明吸附过程为单层的化学吸附。(2)随溶液pH增加,材料表面官能团产生去质子化,所带负电荷增加,对MO的吸附能力下降,而在嫁接季铵基后,季铵基能在较宽pH范围内保持正电,使其与MO间静电斥力减弱,吸附量增加,使得聚二甲基二烯丙基氯化铵加入量(质量分数)为2%的GHP(GHP-2%)在pH为3.0、7.0下对MO的最大吸附量分别达到398.448、224.473 mg/g。(3)由于GHP-2%高度发达的孔隙结构,MO在其孔内扩散时间较长,导致其吸附MO的平衡时间明显长于其他材料。

定向导热的石墨烯气凝胶相变复合材料的研究

有机相变材料具有较高的储热性能,但是较低的热导率限制了它的应用领域。鉴于此,本工作采用液氮冷冻法制备了石墨烯气凝胶,通过改变氧化石墨浓度来调整其结构,并用真空浸渍法将气凝胶与石蜡制备成相变复合材料,最后以实验测试与数值模拟相结合的方式研究气凝胶结构对相变复合材料热学性能的影响。结果表明:液氮冷冻法制备的气凝胶具有定向导热骨架,其优异的导热性能大幅提升了相变复合材料的热导率。同时,气凝胶以提升材料中石蜡相变焓的方式提升了材料的储热性能。该发现有望解决导热填料不能同时提升材料的导热性能和储热性能的问题,为热能工程的发展提供帮助。

Co_(3)O_(4)/石墨烯气凝胶的催化性能及在铝空气电池中的应用

采用二次水热法合成了Co_(3)O_(4)/三维石墨烯气凝胶(3DGA)复合材料正极,并对其进行电化学分析。结果表明,Co_(3)O_(4)/3DGA具有比3DGA更高的OER催化活性。Co_(3)O_(4)/3DGA正极应用于铝空气电池时,在0.2 mA/cm^(2)的电流密度下电池可至少循环80次,使用3DGA正极的电池只能循环64次,而且Co_(3)O_(4)/3DGA正极可以显著降低电池的充电电压。Co_(3)O_(4)/3DGA的ORR/OER双功能催化活性是提高铝空气电池性能的主要因素。

石墨烯气凝胶的应用研究进展

石墨烯气凝胶是由石墨烯片自组装成的三维多孔材料,具有孔隙率高、弹性好、密度低和良好的导电性、隔热性等特点,在众多领域都有巨大的应用潜能。本文对目前石墨烯气凝胶的制备工艺、可控制备进行了概述,简要概括了目前石墨烯气凝胶及其复合材料在吸附、电磁屏蔽、催化剂载体、传感器方面的应用进展。

石墨烯基气凝胶的制备及应用进展

石墨烯基气凝胶(GAs)不仅具有超高的比表面积和孔隙率、高导电性、高比热容、低密度,而且还有优异的力学性能、稳定的化学性质,在超级电容器、催化剂载体、吸波材料等方面有广阔的应用。针对石墨烯基气凝胶的制备方法(如模板法、自组装法、3D打印法、溶胶-凝胶法等),以及在环境净化、能源及催化等领域的应用和GAs的发展前景进行了综述。

Ag/氮掺杂石墨烯水凝胶的催化性能研究

以氧化石墨烯(GO)作为前驱体,聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)为添加剂,采用水热法制得负载了Ag纳米颗粒的氮掺杂石墨烯水凝胶(Ag/N-RGOH),反应产品通过SEM、XRD、拉曼等手段得到了验证,并使用10 mM苄氯+1-丁基-3甲基咪唑三氟甲磺酸盐离子液体电解液研究其电化学还原苄氯的性能。结果表明所制备的Ag/N-RGOH材料对苄氯有良好的电催化活性及催化稳定性。

石墨烯气凝胶的制备与应用研究

石墨烯气凝胶,俗称“碳海绵”,在众多石墨烯宏观体结构中,因其具有大比表面积、低密度、高孔隙率、强吸附等特点,已经成为最具潜力的新型碳材料之一。石墨烯气凝胶体现了宏观尺度下石墨烯的优异性能,其由石墨烯纳米片经搭接、组装形成,具有连续的三维多孔网络结构。目前已开发出水热还原法、化学还原法、交联法、模板法、3D打印法等方法制备石墨烯气凝胶,并且在此基础上不断改进,得到了性能更为优异的石墨烯气凝胶,被广泛应用于超级电容器、锂硫电池、催化剂、吸附材料、传感器、保温材料等领域。