石墨烯水凝胶的结构控制及其性能研究(5)
近年来，随着石墨烯储能性质及储能器件研究的深入，石墨烯已经被广泛认为是一种解决现有能源问题和环境问题的重要储能材料。石墨烯具有大的比表面积和良好的导电性，是一种理想的超级电容器电极材料[26]。
1.3.2 石墨烯水凝胶
1.3.2.1 水凝胶概述
水凝胶是一种经适度交联而具有三文网络结构的新型功能高分子材料。它不溶于水，但能显著地溶胀于水中，吸收大量的水，并有很强的保水能力，亲水的小分子能够在水凝胶中扩散[27]。其结构示意图如下图（图1-4）所示。
图1-4 水凝胶网络示意图
1.3.2.2 水凝胶分类
水凝胶有多种分类方法：根据水凝胶网络键合的不同，可分为物理凝胶和化学凝胶；根据水凝胶大小形状的不同，可分为宏观凝胶和微观凝胶；根据水凝胶对外界刺激的响应情况，可分为传统的水凝胶和环境敏感的水凝胶；根据合成材料的不同, 可分为合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶。
1.3.2.3 水凝胶的制备方法及性质
水凝胶的制备方法主要包括：1、单体聚合并交联：由一种或多种单体采用电离辐射、紫外照射或化学引发聚合并交联，一般在形成水凝胶过程中需要加入少量的交联剂；2、聚合物交联：包括通过物理作用力如静电作用、离子相互作用、氢键、链的缠绕等形成水凝胶的物理交联和通过在聚合物水溶液中添加交联剂使聚合物交联成网络聚合物水凝胶的化学交联；3、载体的接枝交联：通过电离辐射、紫外线照射、等离子体激化原子或化学催化游离基等在载体表面产生自由基，使单体共价连接到载体上形成水凝胶。
水凝胶主要有几下几点性质：溶胀及体积相变、保水性能、pH值及温度响应性、力学性能。
1.3.2.4 石墨烯水凝胶
本课题讨论的自组装石墨烯水凝胶(SGH)，是在氧化石墨烯-氨水-水合肼的氧化还原体系中，以一步水热法合成得到。相对于石墨烯本身，自组装石墨烯水凝胶具有诸多优越的性质：较高的导电率（≈5×103S/cm）、较高的机械强度、热稳定性以及高的比电容。这些优越的性质使得SGH在生物化学和电化学方面具有广泛的应用前景，如载药体、生物纳米复合物和超级电容器。此外，将石墨烯制备成水凝胶，还能很大程度上减少石墨烯片层的团聚。
1.3.3 石墨烯基复合材料
石墨烯作为填料的高分子纳米复合材料在各个领域具有广阔应用的前景。目前，基于石墨烯填料的高分子基体包括聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯（PP）、环氧树脂、聚酯纤文、硅酮泡沫、聚氨酯、聚偏氟乙烯和聚碳酸酯等[28]。
石墨烯在高分子纳米复合物中作为填料，可显著增强其弹性模数、拉伸强度、电导率和热稳定性等性质。此外，以石墨烯负载纳米金属粒子(Pt.Au.Pd，Ag等)、金属氧化物(CuO2，TiO2，SnO2等)和量子点CdS，可使石墨烯呈现出许多不同的性质[29]。
1.3.4 其它方面的应用
石墨烯的优异性质使其不仅在以上领域有应用，也可以应用于锂离子电池材料、超导材料、吸附材料、氢气存储材料、信息存储以及计算机芯片材料等，石墨烯的优异性能使其应用前景非常广泛。
1.4 本论文的工作
本毕业设计以石墨烯水凝胶为研究对象，采用改进的Hummers法得到边缘含有羧基、羟基，层间含有环氧及羰基等含氧基团的石墨氧化物，再通过超声剥离得到单原子层厚度的石墨烯氧化物，进一步还原可制备得到石墨烯，并同时制备成为水凝胶，以减少石墨烯片层的团聚。
本论文的主要任务：对石墨烯的褶皱度、水合化、还原条件等条件进行探索，获得水凝胶石墨烯的结构控制方法，以获得优异的电化学性能；对水凝胶的自组装方式、不同微结构进行电化学测试，探索微结构与电化学性能之间的影响规律。
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