摘 要

大孔碳材料因其较大的比表面积、稳定的热性能及化学性能等优点受到了材料界的广泛关注。其中三维有序大孔材料凭借优异的理化性能、灵活可调的孔径脱颖而出成为材料界的一颗新星。三维有序大孔碳材料的制备方法主要是胶晶模板法，此外还包括碳气凝胶法和聚合物热解法等，所制备出的大孔碳材料可应用于电极材料、催化剂及生物材料等方面。三维有序大孔石墨烯碳材料构建的功能器件在储能、环境、传感及生物分析领域表现出了更为突出的性能。目前三维石墨烯纳米材料的制备方法主要包括：界面自组装、溶液自组装、模板介导合成法等。本文主要介绍了利用一步水热法制备三维石墨烯水凝胶，分析了其理化特性，利用不同的方法制备了两种不同形态的四氧化三锰，并原位沉积法制备了三维石墨烯大孔碳材料作为基底负载不同质量的四氧化三锰，将其与还原氧化石墨烯、四氧化三锰的电催化性能进行了比较，通过SEM、XRD观察，四氧化三锰均匀分布在石墨烯材料表面，有效阻止了石墨烯的堆叠，电催化性能检测显示，还原氧化石墨烯/四氧化三锰复合材料的性能远优于单独的四氧化三锰、还原氧化石墨烯的性能，且在一定范围内，大孔石墨烯碳材料负载的四氧化三锰越多，性能越优异。

关键词：还原氧化石墨烯，自组装，水热还原，四氧化三锰，复合材料

Abstract

Due to its large specific surface area, stable thermal and chemical properties, the large pore carbon materials have received extensive attention in the field of materials. Three-dimensional ordered macroporous materials with excellent physical and chemical properties, flexible adju- stable aperture stand out as a new star in the material world. Colloidal crystal templating method is the main method for the preparation of three dimensionally ordered macroporous carbon materials, in addition to carbon aerogel method and polymer pyrolysis. The prepared macrporous carbon materials can be applied as the electrode material, catalyst and biological materials. Three dimensional ordered macroporous graphene carbon materials have a more prominent performance in the field of energy storage, environment, sensing and biological analysis. At present, the preparation methods of three-dimensional graphene nanomaterials include interface self-assembly, self-assembly, template mediated synthesis, etc. This dissertation mainly studies the preparation of three-dimensional reduced graphene oxide by one-step hydrothermal method, and analyzes its physicochemical properties. In addition, two different forms of Mn₃O₄ prepared by different methods were used, and in situ deposition of three- dimensional graphene carbon material as base load four different amount of Manganese tetro- xide. After compared to reduced graphene oxide and Mn₃O₄ by SEM, XRD observed, Mn₃O₄ evenly distributed on the surface of graphene materials, can effectively prevent the stacking of graphene, electrocatalytic performance test showed that the properties of reduced graphene oxide /Mn₃O₄ composite material is much better than that of single or reduced graphene oxide, and within a certain range, take more amount of Mn₃O₄ loaded on graphene carbon materials, the materials will show a better performance.

Key Words：Reduced graphene oxide; Hydrothermal; Reduction; Mn₃O₄ ; composite materials

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1大孔碳材料综述 1

1.1.1三维大孔碳材料及制备方法 1

1.1.2三维石墨烯的制备及应用 3

1.2四氧化三锰的制备及其应用 3

1.3石墨烯负载四氧化三锰纳米粒子 4

1.4实验设计思路及研究意义 5

第二章 实验仪器及实验表征 6

2.1实验仪器及实验药品 6

2.1.1实验药品 6

2.1.2实验仪器 6

2.2实验表征 7

2.2.1 X射线衍射 7

2.2.2扫描电子显微镜 7

2.2.3电化学测试 7

第三章 材料的制备及性能分析 8

3.1三维石墨烯大孔碳材料的制备及性能分析 8

3.1.1三维石墨烯大孔碳材料的制备 8

3.1.2 X射线衍射结构分析 8

3.1.3扫描电子显微镜结构分析 8

3.2四氧化三锰的制备及性能分析 9

3.2.1四氧化三锰的制备 9

3.2.2 X射线衍射结构分析 9

3.2.3扫描电子显微镜结构分析 10

3.3还原氧化石墨烯/四氧化三锰复合材料的制备及性能分析 10

3.3.1还原氧化石墨烯/四氧化三锰复合材料的制备 10

3.3.2 X射线衍射结构分析 11

3.3.3扫描电子显微镜结构分析 11

3.4材料的电化学性能表征 12

3.5本章小结 15

第四章 结论与展望 17

参考文献 18

致谢 21

第一章 绪论

1.1 大孔碳材料概述

多孔碳材料因其比表面积大、热稳定性良好、具有化学稳定性且机械强度高，在催化改性、电池电极材料以及吸附分离等方面都具有很广的应用，已成为材料科学界的重要研究方向。多孔碳材料在国际标准中被分成三类：孔径小于2纳米的为微孔碳材料、孔径介于2到50纳米的称为中孔碳材料，孔径大于50纳米的被称为大孔碳材料。大孔碳材料较微孔和中孔碳材料起步晚，直到1998 年， Zakhidov ^[1]把二氧化硅蛋白石组装成胶晶体模板，以酚醛树脂或丙烯为碳源，通过一系列反应得到了具有反蛋白石的大孔碳材料，才引起了材料界的广泛关注。

1.1.1大孔碳材料及制备方法