化学气相沉积法制备三维石墨烯及其结构与性能的研究

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1、硕士学位论文化学气相沉积法制备三维石墨烯及其结构与性能的研究STUDYONPREPARATIONOFTHREE-DIMENSIONALGRAPHENEBYCHEMICALVAPORDEPOSITIONANDITSSTRUCTUREANDPROPERTIY马一慧哈尔滨工业大学2017年12月国内图书分类号：TB34学校代码：10213国际图书分类号：620密级：公开工程硕士学位论文化学气相沉积法制备三维石墨烯及其结构与性能的研究硕士研究生：马一慧导师：于杰教授申请学位：工程硕士学科：材料工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2017年12

2、月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB34U.D.C:620AdissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsfortheprofessionaldegreeofMasterofEngineeringSTUDYONPREPARATIONOFTHREE-DIMENSIONALGRAPHENEBYCHEMICALVAPORDEPOSITIONANDITSSTRUCTUREANDPROPERTIESCandidate：MaYihuiSupervi

3、sor：Prof.YuJieAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialsEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：December,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要石墨烯由于具有高的比表面积、丰富的活性位点和优异的导电性能等，在电子和储能器件领域具有良好的应用前景，但其存在结构容易

4、团聚、边缘利用率低等问题。因此，三维石墨烯一定程度上解决了这些问题，但是仍然存在孔径过大的问题。本文针对以上问题，利用静电纺丝技术制备PAN纤维前驱体，通过控制碳化工艺控制在纳米碳纤维表面形成径向取向的小尺寸石墨烯片，利用CVD法在纳米碳纤维表面进一步生长径向取向的大尺寸石墨烯片，获得了新型的三维石墨烯材料，改善了结构团聚，获得了较小的孔径，在超级电容器和铝离子电池中获得了良好的性能，主要研究工作和结果如下：通过控制碳化工艺在纳米碳纤维表面生长了径向取向的小尺寸石墨烯片，研究了碳化工艺参数的影响，测试了其电化学性能。随着碳化温度的升高

5、，纤维表面石墨烯片逐渐形成并增多，同时纤维直径下降，1100℃时获得了良好的石墨烯结构。在1100℃下，研究了NH3流量对石墨烯结构的影响：随着NH3流量的增加，纤维直径下降，纤维表面石墨烯结构逐渐生成，并且石墨烯面密度增加。在NH3流量为180mL/min时获得了分布均匀且面密度较高的石墨烯结构。在1100℃、NH3流量为180mL/min时研究了碳化时间对石墨烯结构的影响：随着碳化时间的增加，纤维直径下降，纤维表面石墨烯面密度逐渐增加。在碳化2h时获得了分布均匀且面密度较高的石墨烯结构，并且形成了具有径向取向的小尺寸石墨烯片。利用

6、电化学工作站和LANHE电池测试系统进行测试，结果表明：所制备的石墨烯结构的纳米碳纤维具有优良的电化学性能。在水系三电极测试中获得375F/g的电极比电容；在有机对称型超级电容器中可获得器件比电容为80F/g，能量密度达到69.4Wh/kg；在铝离子电池中获得电池初始比容量为78mAh/g，能量密度达到42.6Wh/kg，功率密度高达1704W/kg，循环5000次后比容量保持在72mAh/g，库伦效率大于99%。利用CVD方法，以CH4-H2混合气氛作为生长气源，在纳米碳纤维表面生长了径向取向的石墨烯片，研究了工艺参数的影响，测试了

7、其电化学性能。随着温度的升高，纤维表面石墨烯片高度增加，面密度增大，在1200℃时获得了结构良好的石墨烯片。在1200℃下，研究了CH4流量对石墨烯结构的影响：随着CH4流量的减少，纤维直径减小，纤维表面石墨烯片层数减少，并且石墨烯面密度增加。在CH4流量为18mL/min时获得了分布均匀且面密-I-摘要度较高的少层石墨烯结构。在1100℃、CH4流量为18mL/min时研究了生长时间对石墨烯片高度的影响：随着时间的增加，纤维表面石墨烯片高度逐渐增加。在生长12h后获得了分布均匀的少层石墨烯结构，并且形成互相连接的多孔结构，石墨烯片层

8、高度达100nm左右。利用电化学工作站和LANHE电池测试系统进行测试，结果表明：所制备的石墨烯结构的纳米碳纤维具有优良的电化学性能，在铝离子电池中获得电池初始比容量为160mAh/g，能量密度达到66.9Wh/kg，功