基于煤基多环芳烃石墨烯及其复合结构的可控合成和应用基础研究

申请课题提出以具有稠环平面结构的煤基多环芳烃为前驱体，研究建立构筑石墨烯及其复合纳米结构的新技术方法。采用超临界溶剂萃取和柱色谱分离技术，从价廉易得的煤炭提取具有不同分子结构特征的煤基稠环芳烃及其杂环化合物，通过Suzuki交叉偶联及Friedel-Crafts烷基化对其进行尺度扩展和结构调控；基于"晶种诱导结晶"原理，以过渡金属薄膜催化剂为衬底，利用固相表面催化耦合化学气相沉积(CVD)技术，由多环芳烃催化转化制备一定形态和尺度的石墨烯；考察多环芳烃在不同基质衬底上的迁移、融合、组装以及转化机制，诠释多环芳烃及其衍生化合物的结构特征与其转化反应性之间的内在关联；利用金属有机气相沉积(MOCVD)和低温等离子体还原等技术制备石墨烯与金属或金属氧化物的复合纳米结构，研究探索石墨烯复合结构的电化学性能。课题的实施将开拓石墨烯的合成技术新途径，丰富石墨烯合成和应用的技术内涵。

本项目基于煤的结构特征与石墨烯结构的相似性，提出由廉价的煤炭资源制备石墨烯及其复合结构的科学思想。三年（2010.1-2013.12）的研究结果表明以上科学思想可行，项目圆满实现了预期的研究目标，主要研究工作的内容如下：1．以煤焦油的溶剂切割组分石油醚可溶部分为碳源，铜箔为催化剂，通过化学气相沉积合成了石墨烯透明薄膜结构，其中石墨烯薄膜的厚度可控；2．通过煤的催化石墨化结合Hummers化学氧化插层以及低温等离子体脱氧还原策略，由煤制备得到了石墨烯及其与贵金属纳米粒子的复合结构，并弄清了产物石墨烯结构特征与其前驱体石墨化程度之间的关联；3．以煤焦油甲苯可溶组分（芳香组分）为前驱体，以片状氧化镁为模板合成得到了类石墨烯的片状碳纳米结构；4．由煤焦油为原料制备得到了氮掺杂的类石墨烯多孔碳纳米片；5．采用低温等离子体技术制备得到了石墨烯及其与过渡金属及其氧化物的复合结构，成功将其应用于超级电容器以及锂离子电池的电极材料；6．开发了柠檬酸绿色还原由氧化石墨制备石墨烯技术，采用D400化学交联实现了三维石墨烯立体结构的可控组装；7. 采用乙二胺还原--冷冻干燥--微波处理脱氧策略制备得到了超轻、高度可压缩石墨烯气凝胶；8. 以石墨烯气凝胶为基体材料，通过浇铸技术与不同高分子实现复合，制备了系列高分子/石墨烯气凝胶复合结构，复合材料具有超疏水性和对水高粘附力特性，在极低的石墨烯填充量（0.42%）下展现出良好的导电性，远高于文献同等石墨烯填充量下的报告值。以上研究取得了一系列重要的研究成果，得到了国内外同行的关注。基于以上研究内容，在Advanced Materials、Carbon、Journal Materials Chemistry、Energy & Fuels、Nanoscale、Materials Research Bulletin等国际著名期刊发表论文十余篇，申请国家发明专利1项，其中发表在Advanced Materials 2013,25:2219-2223的石墨烯气凝胶研究工作被Nature期刊的Research Highlight给予关注Highlighted，并被国家基金委网站所报道关注。综上，课题圆满完成了预定的任务和科研目标，取得了系列重要的研究成果。