论文部分内容阅读
石墨烯具有优异的理化性质和机械性能，将单层或者多层石墨烯材料组装成宏观三维结构是充分利用石墨烯性能，并走向实际应用领域的有效途径之一。三维石墨烯(3DG)多孔网络不仅保持了原有二维单原子层石墨烯独特的性能，而且拓展了其很多方面的应用潜能。特别是3DG在保持了优异电导率的基础上，具有更好宏观机械特性与更高比表面积。本论文围绕当前3DG无法实现结构和尺寸可控制备的瓶颈，借鉴微纳加工的图案可控与批量制造优势，实现了3DG结构和尺寸的可控制备，并开展了三维可控石墨烯在柔性电极与超级电容性方面的应用探索。主要研究结果如下： 1)3DG结构和尺寸的可控制备。基于微纳加工工艺，利用光刻和电镀的可控性，制备形状和尺寸可控的单层镍支架，对准调节单层镍支架层与层之间的角度后退火、键合，制备了三维网状有序组装的镍模板。采用化学气相沉积(CVD)和腐蚀工艺得到了自支撑、宏观结构的三维可控石墨烯(3D-CG)。3D-CG的孔隙尺寸及骨架宽度可控制在10μm至50μm不等，层间角度可手动调控。拉曼光谱和透射电子显微镜分析所得三维石墨烯几乎没有任何结构缺陷，而且石墨烯层数在十层以内。 2)3D-CG柔性电极应用探索。利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)和3D-CG混合制备3D-CG/PDMS柔性电极。随着拉伸比例由15％增加到40％，六层堆叠的3D-CG/PDMS柔性电极电阻值变化由15％增加到150％，而十层堆叠的电阻值变化仅从8％上升到56％。两层堆叠的在拉伸比例达到20％后电阻值超过量程;随着弯曲程度的增加，曲率半径为1.5 mm时，六层堆叠的3D-CG/PDMS柔性电极电阻变化45％，十层堆叠的变化率仅为13.5％。形变循环测试中，3D-CG/PDMS柔性电极展示出优异的导电性和循环稳定性。 3)3D-CG超级电容器应用探索。循环伏安测试表明3D-CG对比三维石墨烯泡沫(3D-GF)具有更好的电荷存储能力。3D-CG几何模型计算和恒电流充放电实验验证了3D-CG面积比电容随着石墨烯骨架堆叠层数的增加而线性增加。而且3D-CG可以作为赝电容活性物质材料MnO2纳米结构的优异载体。