不同形貌结构的石墨烯基复合材料的可控制备及其电化学性能研究

Graphene has been used as basic structural unit to synthesize many interesting composites due to its high electrical and thermal conductivities, unique mechanical properties and large surface areas. On the other hand, the structure and morphology of materials can also have an influence on their properties. The structure and morphology of graphene-based materials synthesized by using graphene as a substrate can be controlled through various synthetic methods. The aim of this project is to synthesize graphene-based materials with various structure and morphology by using in-situ and ex-situ methods according to their different electrochemical applications, including the preparation of well-dispersed metal nanoparticles or metal oxides layers on graphene via electroless plating, and study of their electrocatalytic or capacitance properties, the preparation of (layered) graphene-based mesoporous metal oxides or graphene-encapsulated mesoporous metal oxides via template methodand or electrostatic self-assembly technique, and study of their electrochemical properties as anode materials for lithium-ion battery. This research project is going to develop a new synthetic methodology of graphene-based materials with controllable morphology, and to study their electrochemical performances for future applications in the field of new energy.

石墨烯由于具有优秀的导电导热能力，出色的机械强度和较大的比表面积，常被用作基本结构单元来制备性能优异的复合材料。另一方面，材料的结构和形貌对其性能也有较大的影响。以石墨烯为基底，通过各种合成技术制备的复合材料具有形貌结构的可塑性。本项目拟根据石墨烯基复合材料在电化学领域中的不同应用，采用原位和非原位合成技术制备各种特殊形貌结构的石墨烯基复合材料，包括利用化学镀的方法制备石墨烯表面高度分散的金属纳米颗粒或金属氧化物镀层，并研究其电催化或电容性能。利用模板法或静电自组装技术制备（层状）石墨烯基介孔金属氧化物或石墨烯包覆的介孔金属氧化物，并研究其作为锂电池电极的电化学性能。本项目的研究工作在理论上丰富了石墨烯复合材料的合成方法学，同时通过对其结构形貌的控制，优化了其相应的电化学性能，开拓了其在新能源领域的应用。

石墨烯由于其优秀的性能，常被用作碳基体构建锂离子电池或燃料电池的电极材料。同时，材料的形貌结构对其电化学性能也有较大的影响。本项目拟发展新的合成技术制备不同形貌结构的石墨烯基金属或金属氧化物，并探索其形貌结构对电化学性能的影响。例如：1）通过化学镀法制备的石墨烯基Pt或Pd催化剂，催化剂颗粒较小且均匀分散，因此具有较高的电催化性能。如果通过模板法在石墨烯表面制备一层多孔碳膜，其孔道可以限制催化剂的颗粒尺寸，防止其团聚及流失，可以进一步提高催化剂的活性和稳定性。2）通过软模板法制备石墨烯基介孔SnO2，一方面，介孔结构可以缩短锂离子迁移路径，降低体积形变带来的影响。另一方面，石墨烯可以提高复合物的导电性，并保持介孔结构的稳定性，从而提高石墨烯复合物的电化学性能。此外，通过对还原剂和沉淀剂的控制，还可以得到石墨烯基SnO或Sn。3）通过异质凝絮法制备石墨烯包覆介孔金属氧化物或介孔碳基金属氧化物，介孔材料的孔道结构及其与石墨烯的协同作用有利于电化学性能的提升。4）通过原位生长制备石墨烯基金属氧化物，再通过自组装技术负载一层石墨烯或碳层，得到具有三明治结构的石墨烯基复合物。三明治结构可以保护金属氧化物颗粒，并缓解其体积形变所产生的应力。同时额外的石墨烯或碳层可以进一步提高复合物的导电性，进而提升复合物的电化学性能。5）通过原位生长制备石墨烯基层状双金属氢氧化物，再经过热处理得到石墨烯基双金属氧化物纳米片。双金属氧化物的超薄结构可以减小金属氧化物的体积形变带来的影响，并提供充足的活性位点与锂离子反应，有利于石墨烯基复合物的电化学性能提升。综上所述，通过对石墨烯复合物的形貌结构调控可有效的提高其电化学性能。作为锂离子电池的负极材料，在长时间循环后的其充放电容量仍能维持在800~1000 mA h/g。本项目的研究丰富了石墨烯基复合物的合成方法学，同时通过对其形貌结构的调控优化了电化学性能，开拓了其在新能源领域的应用。