三维多孔掺杂石墨烯的制备研究

武兆堃　李鑫　张海洋　杨文耀　杨亚杰

【摘 要】本文在不同的PH值下采用水热还原法，制备了三维多孔石墨烯电极材料。通过扫描电镜（SEM）、氮气吸脱附（BET）等方法表征分析了材料的微观形貌及比表面积；通过物理承重测试，测试了材料的机械性能。结果表明，当PH值为11时，制备的三维多孔石墨烯具有较好的微观性能，呈现出微观多孔结构，具有较大的比表面积（BET多点比表面积792.91m2/g）及良好的机械性能（承受较大压力时无明显形变）。

【关键词】三维石墨烯，多孔结构，水热法，电化学，超级电容器

0 引言

石墨烯是由单层碳原子组成的新型二维碳纳米材料[1-3]，因其众多独特而优异的理化特性，已成为近年来材料科学领域中最耀眼的明星材料。通过制备不同微纳米结构的三维石墨烯材料，可有效调控石墨烯的电学、光学、化学、机械和催化特性。近期研究发现，基于三维石墨烯构建的功能器件在储能、环境、传感及生物分析领域表现出更为突出的性能[4-6]。

本文在以氧化石墨烯溶胶（GO）为前驱体，PH采用水热还原法将不同PH值的GO还原成三维多孔石墨烯（3DGN）。

1 实验部分

1.1 氧化石墨烯分散液的制备

本实验采用改进的hummers法制备了GO溶胶，并称取一定量GO溶胶，以去离子水为稀释剂，通过磁力搅拌、超声分散将其稀释成2mg/mlGO分散液。

1.2 三维多孔石墨烯的制备及测试

课题组以氨水为酸碱度调节剂，分别制备了PH值为3.2、7、9、11的GO分散液。并通过水热反应法[7-8]，在180℃高温下，将上述四种GO分散液还原成3DGN（如图1所示），所获得的样品分别记为PH-3.2、PH-7、PH-9、PH-11。

2 结果与分析

2.1 结构表征分析

（a）PH-3.2 （b）PH-7 （c）PH-9 （d）PH-11

图1 不同PH值制备的三维多孔石墨烯

不同PH值条件下，制备的3DGN呈现出不同的外观特征：在酸性条件下（PH-3.2），石墨烯破碎，不具有立体结构（见图1（a）））；中性条件下（PH-7），石墨烯具有较好立体结构，但有部分散乱的碎片出现（见图1（b））；在相对弱碱性条件下（PH-9），所制的石墨烯具有完整的圆柱体结构，且体积明显大于中性条件下所制备的石墨烯（见图1（c））；在相对强碱性条件下（PH-11），三维石墨烯也呈现出完整的圆柱体结构（见图1（d）），且表面光滑，具有最大的体积，说明当PH值为11时，所制备的石墨烯具有良好的三维结构。

图2为碱性条件（PH-11）下所制备得到的石墨烯扫描电镜图。从图2a中可以很清楚的看到产物具有石墨烯的片层结构，从放大图（图2b）中可以更加清晰的看到石墨烯的片层褶皱结构，说明已经成功制备出了石墨烯。从图2中，还能发现，石墨烯材料具有明显的孔洞结构，说明石墨烯材料具有较大的比表面积。

（a）3DGN（PH-11）氮气吸脱附曲线图 （b）3DGN（PH-11）孔径分布图

通过对3DGN（PH-11）的BET多点比表面积分析，测试出该材料的比表面积为792.91m2/g；通过孔径分析，发现3DGN（PH-11）的孔径主要分布在2～5nm区间，说明3DGN（PH-11）的确具有较大的比表面积，这与SEM分析结果一致。

2.2 力学性能测试

（a）无重物（b）1片玻璃板（c）4片玻璃板（d）7片玻璃板

为研究3DGN的机械性能，采用相同条件下所制备了4组3DGN（PH-11）。在4个相同且等距的3DGN上放置具有一定质量的物体，测试其机械性能：首先在其上添加一片玻璃板，发现其并没有较大的形变（图4b）；添加4片玻璃板后，基本无形变（图4c）；添加7片玻璃板后（图4d），3DGN仍然无明显形变出现。证明了PH为11条件下制备的3DGN具有良好的机械性能。

3 结论

本文通过改变水热反应法前驱体氧化石墨烯的PH值，制备了不同的三维多孔石墨烯，当PH值为11时，三维多孔石墨烯表现出较好的综合性能，呈现出微观多孔结构，其比表面积为792.91m2/g；能承受较大压力，无明显形变，具有良好的机械性能，说明该材料具有较好的应用前景。

【参考文献】

[1]朱华瑞.石墨烯基复合材料的性能及其应用研究[D]. 中国科学院大学， 2014.

[2]Su P， Guo H L， Peng S， et al. Preparation of Nitrogen-Doped Graphene and Its Supercapacitive Properties[J].ACTA PHYSICO-CHIMICA SINICA， 2012， 28（28）：2745-2753

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