关键词： 官能化石墨烯   狄尔斯-阿尔德反应   反应绿色可控制备   反应位点   正交试验  

摘要： 石墨烯（GN）是一种单原子厚的二维碳原子片,具有优异的力学、热学、磁学和电学性能及超大的比表面积,使其被广泛应用于复合材料、储能、催化、电化学、燃料电池和生物传感器等领域。然而由于GN自身的不溶性和易团聚的性质,严重限制了其应用。Diels-Alder（D-A）反应作为一种绿色、高效、简单和高产率的官能化石墨烯（FFGN）制备方法,却存在着反应制备条件不清晰和反应位点矛盾等问题。为此,本文以糠胺（FAM）、糠醇（FAL）和糠酸（FAC）作为二烯体,通过D-A反应分别对少层石墨烯（FGN）和单层石墨烯（SGN）进行共价官能化,制备了不同单一官能团的FFGN。主要内容概述如下: （1）采用单因素试验和正交试验考察了反应时间、反应温度、反应溶剂和配料比对D-A反应产物组成的影响。结果表明,各因素的影响顺序为:反应温度>反应时间>物料比>溶剂种类。同时,更高的反应温度和更长的反应时间并不会对接枝率产生有益的影响,且在无溶剂（SF）条件下反应体系具有更高的接枝率,通过对反应条件的调控实现了FFGN的高效、精准可控制备。 （2）FFGN展现出了出色的分散性、导电性、导热性、电热转换性能和光热转换性能。在3 V直流电压下,FGN-FAC在40 s内电热转换温度可达179℃。在100 m W·cm红外灯下照射60 s后,FGN与FFGN均升高了46℃左右。同时FGN-FAC的水接触角由FGN的100.3°减小到了54.4°。 （3）与FGN相比,SGN表现出更高的D-A反应活性,通过反应时间动力学计算得出SGN-FAM反应体系为一阶反应,在反应温度75℃下其反应时间速率常数k=0.034 h。并且通过对SGN-FAM的拉曼成像分析得出表面区域的缺陷呈无序分布。同时通过对SGN-FAM高倍透射电子显微镜形貌分析,观察到黑色斑点的产生,证明了反应既可以在中间发生也可以在边缘发生。

关键词： 石墨烯   二硫化钼   拉曼光谱力学实验   石墨烯材料界面力学   界面性能力学调控   柔性力传感器  

摘要： 石墨烯等二维纳米材料在构建新型高性能微电子器件领域显示出巨大的发展潜力,目前在器件研发与性能优化中存在着许多与力学相关的基础科学问题,如材料界面间的应力传递、异质结构稳定性和带隙调控等,迫切需要开展实验力学测试技术与表征方法研究。鉴于此,本文以典型二维纳米材料中的石墨烯及其异质结构为研究对象,开展光谱力学测量技术和力学表征方法的实验研究,并对石墨烯柔性力传感器研制工作进行探究。本论文的主要内容包括如下几个方面。 为对石墨烯/基底界面力学性能进行测量和表征,在分析石墨烯拉曼光谱应变测量理论基础上,制备石墨烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）试件并搭建拉曼光谱力学实验系统。通过微加载装置对PET基底进行拉伸,采用原位拉曼光谱技术实现石墨烯变形信息的原位测量;基于实验数据分析了加载过程中界面间的应力传递演化过程,定量提取了表征石墨烯界面性能的力学参数。 探究了初始应变和界面贴合度对石墨烯/基底界面力学性能的影响。采用拉曼光谱技术定量表征柔性基底上石墨烯存在的初始冗余应变,辅以原子力显微镜（AFM）在轻敲模式下的相位图来表征界面贴合度。提出了一种改善界面性能的力学调控方法,设计了系列不同循环加卸载预处理的石墨烯/PET试件,通过拉曼光谱实验定量获取它们的界面力学参数,实验结果表明递增式“训练”方法有效地改善了界面力学性能。从实验角度分析界面力学性能优化的内在机制,循环往复的界面应力传递改善石墨烯/基底的贴合程度和初始应变分布状态,最终使界面力学性能得到提升。系列的实验结果揭示二维纳米材料/基底的贴合度是目前界面力学性能测量结果分散度大的原因之一。 针对二维异质结构中带隙精细调控技术中存在的难点问题,建立了石墨烯/二硫化钼（MoS2）异质结构界面力学性能的协同光谱测量方法。设计了石墨烯/MoS2/PET异质结构试件,通过拉曼光谱提取上层石墨烯应变和光致发光（PL）光谱提取下层MoS2应变,实现对异质结构中各层材料应变信息的协同测量。基于实验数据分析了异质结构中各层材料界面间应力传递演化和相互竞争机制,提取了石墨烯-MoS2、MoS2-PET的界面力学参数。 研制了基于石墨烯电极的离子凝胶电容型柔性力传感器。从柔性石墨烯电极、具有起伏微构型形貌的离子凝胶和整体封装等方面开展了制备工艺研究,通过测试平台对制作的传感器进行性能测试,结果表明传感器在0-260 kPa较宽压力范围内保持～290 pF kPa-1的压力响应灵敏度,基于实验结果讨论微结构形貌对传感性能的影响。在此基础上进一步研制可实现法切向力测量的三维传感器,标定实验结果显示在0-5N范围内具有1.89 nF N-1和1.51 nF N-1较高的法/切向灵敏度。

关键词： 现代建筑设计   石墨烯材料   应用要点  

摘要： 在建筑工程的整个施工过程中，建筑设计是非常关键的一项部分，建筑设计效果的好坏，会对建筑工程的整体性能造成非常直接的影响。因此，想提高建筑的整体质量，必须要做好对建筑的设计工作，在建筑设计中重视材料的选择与应用，从而确保建筑工程的施工质量能够满足相关要求，为人们提供更好的居住条件。基于此，结合实际情况，对建筑设计中石墨烯材料的应用进行了深入分析，从而确保现代建筑的质量能够得到有效提高。

关键词： 纯钛   表面改性   氧化石墨烯   硅烷偶联剂   骨感知  

摘要： 目的:初步探讨纯钛表面有机硅烷偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷(3-Aminopropyltriethoxysilane,APTES)复合氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)涂层对大鼠施万细胞(Schwann cells,SCs)增殖和神经再生相关因子表达的作用。方法:在钛片(titanium,Ti)表面通过APTES的氨基基团共价连接制备不同质量浓度的GO涂层(0.25,0.5,0.75,1.0 mg/m L浓度梯度),通过扫描电镜(Scanning electron microscopy,SEM)、拉曼光谱和接触角仪对涂层的微观形貌结构、成分及接触角大小进行表征检测。体外培养施万细胞,在倒置显微镜下观察细胞形态并通过中枢神经特异性蛋白S100-β、胶质纤维酸性蛋白GFAP免疫荧光染色对SCs(RSC96细胞株)进行纯度鉴定;将SCs分别接种于光滑钛片组(Smooth titanium sheet,SS)(对照组)、硅烷偶联剂改性钛片组(实验组,Ti-APTES组)及硅烷偶联剂复合不同质量浓度氧化石墨烯涂层钛片组(实验组,分别为0.25-Ti-APTES-GO组、0.5-Ti-APTES-GO组、0.75-Ti-APTES-GO组、1.0-Ti-APTESGO组)上。采用CCK-8法检测不同处理组钛片上SCs的增殖活性,实时荧光定量聚合酶链式反应(Real-time fluorescence quantitative PCR,q RT-PCR)和蛋白质印迹(Western blotting,WB)检测不同处理组钛片上培养SCs第5天神经生长因子(Nerve Growth Factor,NGF)、胶质细胞源性神经营养因子(Glial Cell Derived Neurotrophie Factor,GDNF)的表达情况。结果:1.扫描电镜观察钛片表面硅烷偶联剂复合氧化石墨烯涂层,随着GO质量浓度的增加,云雾状突起更加致密;而Ti-APTES组表面可见长棒状结构突起,SS组表面相对较为平整。2.拉曼光谱检测到Ti-APTES-GO组表面均存在两个石墨烯类特征峰即D峰和G峰,而SS组及Ti-APTES组则呈一条直线。3.与SS组相比,接触仪检测Ti-APTES组接触角最小,而Ti-APTES-GO组的接触角随氧化石墨烯质量浓度的增加,静态水接触角变小,亲水性能更好。4.镜下观察SCs细胞形态正常、生长情况良好;免疫荧光染色鉴定细胞株的纯度高。CCK-8检测结果显示,与SS组相比,高浓度0.75-Ti-APTES-GO组、1.0-Ti-APTES-GO组对SCs呈现抑制作用。5.q RT-PCR结果显示,0.5-Ti-APTES-GO组的NGF和GDNF基因表达量均最高(P<0.05)。***结果显示,0.5-Ti-APTES-GO组的NGF蛋白表达量要比SS组、0.25-Ti-APTES-GO组NGF的蛋白表达量高(P<0.05),而0.5-Ti-APTES-GO组与Ti-APTES组相比NGF蛋白表达差异无统计学意义(P>0.05);此外,0.5-Ti-APTES-GO组的GDNF的蛋白表达量也是最高的(P<0.05)。结论:本研究条件下,纯钛表面硅烷偶联剂复合质量浓度0.5 mg/m L的氧化石墨烯涂层无明显的细胞毒性,且能较好地促进其表面SCs的神经生长因子和胶质细胞源性神经营养因子的表达。为该涂层能提高种植体周骨感知能力提供一定的理论依据。

关键词： 动态可调   石墨烯   可穿戴   电场探头   SAR检测技术  

摘要： 随着近年来无线通信技术的快速发展,以及万物互联、人机交融的科技发展趋势,适用于体域网通信的可穿戴设备得到了不断地迭代与更新。由于人们对可穿戴设备在不同应用场景下有相应的功能需求,以及可穿戴设备会对人体产生电磁辐射影响,研究面向穿戴的可调微波器件及SAR(Specific absorption rate,SAR)测试技术就具有极其重要的意义,并且只有在同时满足功能需求与安全辐射标准的前提下,可穿戴设备的设计才能符合人们的期望。本文对面向穿戴的可调微波器件与SAR测试关键技术展开了研究,分别在基于石墨烯的动态可调器件,以及SAR检测的探头与计算方法等方面做了一些创新性的工作,主要研究内容与创新点包括以下几个方面: 1.提出了基于石墨烯动态可调移相器的波束扫描共形天线阵列,通过利用电压调控石墨烯薄片的阻值,改变分布式电容结构的等效电容,从而获得连续的相移,当偏置电压从0 V调节至5 V时,石墨烯薄片的电阻可以在28.93～246.3欧姆之间变化,该共形天线阵列可以在7.2 GHz的工作频率处,实现一定角度范围内的波束扫描功能,最后通过实验验证了该天线设计的正确性。 2.提出了基于石墨烯与SSPP(Spoof surface plasmon polariton,SSPP)传输线的动态可调一体化器件,通过利用石墨烯的电导率可调特性,实现了信号衰减、放大和传输的幅度动态可调,调节偏置电压在0～4 V变化,该器件可以实现-10～15 dB的幅度动态调控效果。并在此基础上,设计了可以同时实现动态可调传输与波束频扫的一体化器件,该器件在基模工作时,电磁波可以实现传输幅度的动态可调,而在高阶谐波模式时,可以实现波束频扫功能,同时还分析了该器件对人体产生的辐射影响及SAR分布特性。 3.提出了测量频率可调的灵敏度增强型电场探头,解决了电磁测量中谐振电场探头的高灵敏度与测量带宽之间的矛盾。通过在电场探头中引入了改进型的电偶极子感应部分和可调谐振传输结构,以此提高了探头在各测量频点处的检测灵敏度,当反向偏置电压在0～20 V之间变化时,该电场探头可以在1.61～2.30 GHz的工作频带内,获得至少14.69 dB提升的灵敏度增强测量。 4.提出了基于人工神经网络的非侵入式SAR计算方法,通过在体模内的SAR值与包围了体模和激励源的外部电场分布之间建立人工神经网络关系模型,实现了对体模内部SAR高效预测。该方法解决了传统非侵入式SAR计算方法的中间关系参量多次迭代的问题,实现了体模内部SAR的直接计算,提高了非侵入式SAR的计算效率。

关键词： 纳米石墨烯   原子级精确   自下而上   π电子磁性   扫描隧道显微技术  

摘要： 纳米石墨烯为具有特定边界形貌的准零维石墨烯,也叫做稠环芳烃。价电子之间的库伦排斥以及特殊的形貌,使得纳米石墨烯的分子轨道中可以产生成单π电子、带来磁性的本征特征。相较于过渡金属元素,碳原子的质量更轻,且拥有微弱的自旋轨道耦合、更高的自旋刚度、更长的自旋相干长度和相干时间,使得其在自旋电子器件、磁性分子开关、拓扑量子计算等领域中存在极大的应用前景。磁性纳米石墨烯尚存在以下问题:磁性纳米石墨烯中存在成单电子,化学活性较高,增加了通过湿法化学合成出来的难度;成单电子在空气中容易被氧化,增加了其保存难度与成本;缺乏原子尺度上纳米石墨烯的磁性探究;前驱体分子种类有限,限制了纳米石墨烯在表面上的研究;影响纳米石墨烯磁性基态的因素;纳米石墨烯中π电子磁性的磁交换行为研究较少。基于以上问题,本论文提出在超高真空的条件下,实现磁性纳米石墨烯的制备与表征。利用自下而上的样品制备方法,获得了原子级精准的磁性纳米石墨烯;借助扫描隧道技术,开展了单分子尺度上的结构和磁性表征。具体研究内容与结果如下:1.利用共沉积的样品制备策略,构筑出不同磁性基态与结构的纳米石墨烯,有效地解决了前驱体分子短缺的问题。将前驱体分子9-溴-10-(2,6-二甲基苯)蒽和2,10-二溴-9,9’-连蒽共同沉积到Au(111)基底上,同质分子之间和异质分子之间均可进行着乌尔曼反应以及环化脱氢反应,继而分别得到总自旋量子数S=0的闭壳结构、S=0和S=1的开壳纳米石墨烯。此外,拓扑缺陷会为纳米石墨烯带来磁性,从而得到结构不同但磁性基态相同的产物(S=1/2)。2.通过表面上四蒽烯的基态探究,揭示了电荷转移对蒽烯磁性基态的影响。未掺杂的纳米石墨烯与Au(111)基底的相互作用较弱,基底对其磁性基态的影响较小,尚未有电荷转移改变磁性基态的报道。通过沉积前驱体分子2,10-二溴-9,9’-连蒽,制备出原子级精确的四蒽烯。四蒽烯在气相下为S=0的反铁磁性基态,在Au(111)基底上受电荷转移的影响,基态变为半整数的S=1/2,并探测到近藤共振。利用共沉积的策略,获得了不同长度的蒽烯,揭示了尺寸因素对蒽烯基态的影响。将前驱体分子2,10-二溴-9,9’-连蒽和10-10"-二溴-9,9’:10’,9"-四连蒽沉积到Au(111)上,得到不同长度的蒽烯。结果表明了二蒽烯在基底上为闭壳的无磁性基态、三蒽烯为开壳的反铁磁性基态,四蒽烯、五蒽烯与六蒽烯因电荷转移在Au(111)上的基态变为S=1/2。揭示随着尺寸的增长,蒽烯的前线轨道逐渐靠近费米面,使得因荷转移而改变基态的现象变为可能。3.通过构造一维的带结构,揭示了π电子磁性分别在7-14-石墨烯纳米带和自旋链中的磁交换行为。石墨烯纳米带的终端位置存在一个成单电子,距离较远时,均表现出S=1/2的谱学特征;当两个终端靠近时,仍能观察到近藤共振,但是近藤共振的峰形发生了改变,表明终端位置处的成单电子之间为铁磁性交换。碳碳单键连接纳米石墨烯后,纳米石墨烯之间无法进行共振,因而单键两侧的自旋序保持不变。将前驱体分子沉积到基底上后,先后经过脱卤和环化脱氢得到两端为S=1、内部为S=1/2的自旋链。自旋链之间的谱学特征为台阶状的低能激发,表明纳米石墨烯之间为反铁磁性耦合。借助单分子尺度上纳米石墨烯的磁性研究,增强对于分子的共振理论、磁性的谱学响应、π电子的磁交换的认识和理解,为其在自旋电子器件、磁性分子开关、拓扑量子计算等领域中的应用提供一手资料。

关键词： 碳基二维材料   量子点   石墨烯   石墨炔   荧光调控  

摘要： 碳基二维材料量子点作为一种先进的碳纳米材料,因其优异的物理化学性质而受到越来越多的关注,近年来为满足更严格的实际应用要求而蓬勃发展。自上而下和自下而上制备技术的发展极大地促进了对其多种特性的探索,例如丰富多变的荧光调控方法,可通过尺寸控制、掺杂或表面改性调节的带隙,具有高量子产率的独特荧光性能,以及良好的水溶性和生物相容性等,这些特性为其广泛应用奠定了基础,包括光催化、电催化、能量储存和转换、生物应用、传感、光电等。因此,制备新型碳基二维材料量子点并探索其独特的荧光性能具有重要意义。本论文基于新型碳基二维材料量子点的研究,使用溶剂热法和研磨辅助超声剥离法制备了两种石墨烯量子点以及三种石墨炔量子点,对其形貌和结构进行了表征,并研究了其荧光性能及荧光调控机理。主要研究内容分为以下三个部分:（1）采用简单的溶剂热法,以乙醇为溶剂,2,2'-二硫代二苯甲酸和邻苯二胺为前驱体,制备得到硫氮共掺杂石墨烯量子点Y-GQDs。Y-GQDs表现出均匀的尺寸和良好的荧光稳定性,并且具有多种荧光调控方式,如激发波长调控、溶剂调控和浓度调控。Y-GQDs的多荧光中心使其在激发波长变化时,显示出明显的激发依赖效应。受溶剂极性的影响,在溶剂极性增大时,荧光峰红移,表现出溶剂依赖效应。Y-GQDs的荧光发射还与其浓度有关,随着Y-GQDs浓度增加,单分散的Y-GQDs聚集成聚集体,带隙减小,实现显著的红移发射。基于Y-GQDs在高浓度时的黄色荧光发射,将其掺杂进MTES凝胶并涂覆在蓝光LED芯片上,可以得到正白光LED,显色指数达到83.7。白光LED在不同驱动电流下,都具有良好的光稳定性,使其拥有作为高性能照明器件的优秀潜力。（2）采用L-精氨酸和邻苯二胺作为碳源和氮源,以硫酸水溶液为溶剂,通过一步溶剂热法制备了一种表面态主导的荧光可调石墨烯量子点O-GQDs。O-GQDs具有较高的量子产率、良好的稳定性和耐光漂白性能,并且在液态和固态时都可以实现从绿色到红色的宽光谱荧光调控。液态荧光调控是通过将O-GQDs分散在十种不同溶剂中,受溶剂极性以及氢键的影响,在表面态的调控下实现多色荧光。为了解决量子点的聚集诱导猝灭问题,将O-GQDs掺杂进六种不同的基质中,实现固态多色荧光调控。基于O-GQDs的溶剂极性依赖,将其应用于有机溶剂中微量水的检测。在丙酮、乙腈和N,N-二甲基甲酰胺中都拥有较低的检测限,尤其在丙酮中,检测限低至0.042%。（3）采用低沸点溶剂乙醇为剥离介质,以三种金属化石墨炔粉末Pt L1、Hg L1、Hg HTPP为原料,经研磨预处理,然后进行液相超声剥离,得到三种石墨炔量子点B-GYQDs、G-GYQDs、R-GYQDs。该方法便捷有效,并且不会引入杂质,可以得到高质量石墨炔量子点。通过对其元素以及官能团等进行表征,分析量子点形成的大概机理,对石墨炔量子点的制备提出新的见解。三种石墨炔量子点都拥有较高的量子产率,并且分别表现出蓝绿红三色荧光,为石墨炔量子点的三基色白光LED应用提供了可能。

关键词： MOF-303   高产率合成   石墨烯   复合气凝胶   大气集水  

摘要： 全球缺水问题越来越严重,在干旱地区获取清洁饮用水一直是个难题。解决干旱地区人民的饮用水需求,从空气中获取清洁水源的新方式引起了人们的兴趣。金属有机框架材料(Metal-organic Frameworks,MOFs)可以在干旱地区进行大气集水工作,具有很大潜力。MOFs材料合成成本高昂是其不能扩大生产的阻碍,同时在实际集水工作中,由于材料自身的堆积会导致其集水性能明显下降。在本文的研究中,采用常压回流法代替传统的溶解热法合成了MOF-303,通过表征验证了产物性能与溶剂热法合成的产物相当。通过控制反应时间与反应温度,确定最佳反应条件为120℃反应9 h,产率高达93.56%。提高了产率,降低了反应难度。针对MOF-303在材料堆积时的性能下降问题在MOF-303的基础上加入单层氧化石墨烯,共同反应合成了MOF-303石墨烯复合气凝胶。通过进一步优化配比,确定最佳质量比石墨烯:MOF-303为1:20。复合材料相比于单纯的MOF-303吸附速度提高了1/3。成功开发了一种大气集水装置,装置整体由太阳能设备供能,可以离网自动运行。装置由计算机控制并收集数据,操作简便。最终成功收集到液态水,初步达到了0.84 L·kg -1 day-1(24℃,45%RH),水质达到生活饮用水标准。

关键词： 石墨烯吸波体   夹层类蜂窝结构   熔融沉积成形   吸波性能   力学性能  

摘要： 电磁污染问题日趋严重,开发厚度薄、重量轻、频带宽、吸收强的吸波材料需求迫切。从材料属性出发,碳材料（石墨、石墨烯等）密度低、导电率高、耐腐蚀等优异特性受到广泛关注。特别是石墨烯独特的孔壁及单原子二维结构使之比表面积大、机械性能佳、传导性好,有望作为轻质高效吸收剂应用于电磁吸波领域。从结构设计出发,蜂窝结构承载能力强,其特殊的孔洞单元可为电磁波透射与反射提供复杂传播路径,消耗大量电磁波能量,并节省材料、减轻重量。本文在开发聚乳酸（PLA）/热塑性聚氨酯（TPU）基多元3D打印复合线材的基础上,利用熔融沉积成形（FDM）技术制备了相应复合试样及石墨烯夹层类蜂窝结构吸波体,为高性能吸波材料结构设计制造一体化提供了新方法。主要研究如下:通过测试对比石墨微粉（MPG）、球形石墨（SG）、石墨烯（GR）、石墨烯纳米片（GNPs）、镀铜石墨（CCG）五种PLA/TPU基复合材料的微观形貌、物相结构、石墨化程度、电磁参数、拉伸强度、断裂伸长率等,计算反射率、衰减常数、阻抗匹配,重点研究了不同碳复合材料的吸波性能与力学性能。研究发现,MPG、SG分散效果好;GNPs阻抗匹配佳;GR、CCG介电损耗能力强。在GR中添加SG或铁镍合金（Fe Ni50）,重点研究了不同含量配比下SG/GR/PLA/TPU、GR/Fe Ni50/PLA/TPU两类复合材料的性能。研究发现,GR含量较高时,促进极化与多重散射,复合材料的吸波性能优异;SG含量较高时,促进粒子分散,复合材料的力学性能优异;增加磁介质Fe Ni50后,引入了自然共振、交换共振、涡流效应等磁损耗,吸波效果大幅提升。结合阻抗渐变设计与电磁模拟仿真（CST）优化得到最佳石墨烯夹层类蜂窝结构吸波体,仅在6 mm厚度下最大反射损耗达-51.19 d B。经FDM吸波体测试验证仿真结果,发现有效吸收频宽（RL<-10 d B）达8.88 GHz（3.99～6.59 GHz、9.57～15.85 GHz）,初步实现了材料结构协同效应,为宽频强吸收、高强高韧吸波体提供了有益参考。

关键词： 有机分子电极   石墨烯   非对称超级电容器   能量存储   储能性能  

摘要： 超级电容器拥有着可以安全地提供高功率密度和具有极长的循环寿命的特点,在储能领域占据着不可或缺的地位。然而其与实际生产生活中所应用的离子电池相比在能量密度方面存在较大差距。这使得超级电容器在新能源汽车、间歇性可再生能源的负载平衡系统和便携式设备的应用中受到很多限制。因此,保持超级电容器固有优点的前提下,提高其能量密度仍是当前超级电容器应用发展中亟需解决的问题。近年来,从自然界筛选或人工绿色合成的电活性小分子可以在低分子量下实现多电子可逆法拉第反应,这使得其具有高的理论比电容和优异的储能潜力。更重要的是,有机分子可以通过灵活方便的有机反应在分子结构中引入特定的官能团对其电化学性能进行调控和设计。但是,这类有机分子普遍具有电绝缘性,需要借助具有高导电性和高化学稳定性的导电基底来释放自身潜在的电化学性能。在论文研究中,选取具有电化学活性的吲哚或多酚类有机分子,通过非共价的策略将其修饰在还原氧化石墨烯表面(r GO),形成具有优异电化学性能的有机分子电极。其次,将哌嗪类和蒽醌类有机分子通过席夫碱反应合成一种新的聚合物。通过所得聚合物对r GO进行非共价修饰制备有机分子电极,以此来释放该聚合物的储能潜力。通过正、负极之间的合理匹配组装具有高电化学性能的非对称超级电容器,并分析其储能性能。具体研究内容如下:(1)通过五元氮杂环5-羟基吲哚(HIN)分子作为有机赝电容活性供体修饰r GO,以构筑有机分子电极(HIN@r GO)。在三电极测试体系中,HIN@r GO的法拉第反应发生在一个比较正的电势范围内。优化电极(HIN@r GO-0.5)在5m V s的扫速下拥有519.5 F g的比电容,当扫速增加至100 m V s时,其电容保持率为85.6%。为匹配所制备的有机分子电极,制备了MXene(TiCT)。并以HIN@r GO-0.5作为正极,TiCT作为负极组装非对称超级电容器(HIN@r GO-0.5//TiCT ASC)。得到的ASC组件在1 mol L HSO电解液中可以拓宽电位窗口至1.6 V,在640 W kg的功率下,可以获得32.5 Wh kg的能量密度,并具有良好的循环稳定性(10000次循环后电容保持率为90.5%)。两个串联的ASC可以点亮58个红色LED灯,显示了其在实际应用中的潜力。(2)将非黄酮多酚类白藜芦醇分子(RE)修饰在r GO表面,构建新型有机分子电极(RE@r GO)。RE分子拥有多个酚羟基,可以实现多电子的法拉第反应,为有机分子电极的优异性能奠定电化学反应基础。在5 m V s时,优化电极RE@r GO-0.8拥有367.9 F g的高比电容和优异的电容保持率(即使在100 m V s的扫描速率下也有81.6%的电容保持率)。为了探究有机电极的实际应用潜力,制备另一种有机分子电极(BAQ/r GO-0.3)为负极与RE@r GO-0.8作为正极,组装非对称组件(BAQ/r GO-0.3//RE@r GO-0.8)。所制备的ASC在功率密度为527W kg时,可以提供能量密度22.8 Wh kg。两个以串联方式连接的ASC可以点亮43个红色LED灯。(3)将具有电化学活性的分子和高电子云密度的分子相结合,合成一种赝电容型活性有机聚合物(聚1,4-哌嗪二甲醛-2,6-二氨基蒽醌,PDP),建立了一种较高电子云密度的法拉第反应单元。然后,将PDP锚定在r GO表面,制备了有机分子电极(PDP@r GO)。当扫速为5 m V s时,优化电极PDP@r GO-1拥有964.8 F g的高比电容,即使在100 m V s的扫描速率下也有78.7%的电容保持率。将多孔富氧石墨烯水凝胶(LGH)为正极与作为负极的PDP@r GO-1组装不对称组件(PDP@r GO-1//LGH ASC)。该组件在功率密度为532 W kg时,可以提供能量密度27.9 Wh kg。两个串联的ASC可以点亮54个红色LED灯。