摘要：随着科技的不断发展，虚拟仿真技术在高校实践教学中发挥着巨大的作用，为教学实验带来便利。本文基于虚拟仿真实验制备三维石墨烯及探讨其电化学性能的影响因素。模拟了三维石墨烯制备过程，并对所得三维石墨烯材料进行形貌和结构表征（包括SEM、TEM、XRD、Raman及N2吸附/脱附等）及相应的电化学性能测试。有助于理解三维石墨烯的制备方法和电化学性能的影响因素，为进一步开发高性能的三维石墨烯材料提供理论基础。

关键词：虚拟仿真实验；三维石墨烯；电化学性能

一、引言

1.1研究背景

随着科技的发展，普通储能材料在许多方面已经不能满足人们的更高需求，新材料的探索成为热门领域。2018年，我国科学家曹原采用两片石墨烯，通过扭曲一定角度获得了魔角石墨烯，首次发现了石墨烯的超导特性。石墨烯因其特殊的物、化和电学性质，成为新材料科学领域的热门话题。

石墨烯由碳元素构成，是典型的二维材料。二维石墨烯多为层状堆叠结构，三维石墨烯多为中空球状结构，这种多孔结构有利于电极反应过程中离子的转移，具有更好的导电性和机械性能。三维石墨烯不仅保留了石墨烯自身优良的机械性能和导电导热性能，而且还大幅度增加了石墨烯与溶液的接触面积，具有更好的导电性和机械性能。三维石墨烯在能源存储与转换、传感器、催化等领域展示出了其庞大的应用能力。然而，传统的实验方法在制备三维石墨烯的和研究其电化学性能时，往往受到实验条件的限制、成本高昂、实验周期长等因素的影响，难以快速地、全面地揭示其内在机制。尤其是在高校教学实验中，不仅会存在实验人员安全性问题，而且大量重复性实验会造成实验资源浪费的情况。

虚拟仿真实验技术的出现完美地解决了这类问题。通过利用计算机模拟实验环境，按照实验步骤及方法模拟三维石墨烯的制备、结构表征过程，分析三维石墨烯的电化学性能影响因素，从而快速、高效地优化实验方案，降低实验成本，提高研究效率。

1.2研究目的和意义

在理论方面，有助于深入理解三维石墨烯的制备过程和电化学性能的影响因素，为进一步开发高性能的三维石墨烯材料提供理论基础。在实际应用方面，可以为能源存储与转换等领域提供相关参考依据，推动实体产业的发展。

在实验方面，利用虚拟仿真实验技术，模拟一步法制备过程，让学生掌握设计合成三维石墨烯的基本工艺；通过大数据虚拟，让学生熟悉反应配比和制备条件等因素对三维石墨烯的微观结构和形貌，电化学性能的影响规律；使学生掌握X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱、N2吸附/脱附等先进的材料表征方法及原理；掌握测试电极的制备方法及电化学性能的测试方法。可以显著降低实验成本，提高实验安全性：避免错误操作可能带来的设备故障。

二、虚拟仿真实验在三维石墨烯制备中的应用

2.1虚拟仿真实验的原理和方法

虚拟仿真实验是基于计算机技术和数学模型，通过模拟真实实验的物理过程和化学变化，来预测实验结果和现象的一种实验方法。其原理主要包括以下几个方面：

物理模型的建立根据实验对象的物理特性和化学性质，建立相应的数学方程和物理模型，如流体力学方程、传热传质方程、化学反应动力学方程等。

常使用的数值计算方法有蒙特卡罗法、有限元法、有限差分法等，对建立的数学模型进行求解，得到实验过程中的各种物理量和化学参数的分布和变化。

利用计算机图形学和图像处理技术实现实验结果的可视化，将数值计算得到的结果以直观的图形、图像和动画方式展示出来，使操作者能够清晰地观察到实验过程和结果。

2.2虚拟仿真实验在三维石墨烯制备中的作用

（1）实验设计与参数优化：借助虚拟仿真软件，可以设计不同的实验方案，例如采取不同的三维石墨烯制备方式或使用同一制备方式而采用不同参数，包括反应条件、原料配比等，预测不同的方法、不同参数对三维石墨烯制备的影响，从而快速筛选出最优方案，减少实际实验的次数和成本。

（2）反应过程模拟：利用虚拟仿真软件的可视化功能，完成回流装置的搭建，真空管式高温烧结炉煅烧操作，掌握三维石墨烯前驱体的制备方法包括产物酸洗、水洗、干燥等操作。

（3）设备与操作模拟：虚拟仿真实验可以模拟石墨烯基碳材料的结构表征和电化学性能测试流程，让操作者熟悉实际实验的流程和注意事项，提高实验的准确性和安全性。

2.3制备三维石墨烯和研究电化学性能的常用软件

目前，研究三维石墨烯的虚拟仿真软件和工具种类繁多，常用的有COMSOL Multiphysics、CAD 石墨烯生成器插件、VASP等，这些软件各有特色以适用于不同的研究需求。

COMSOL Multiphysics是一款基于有限元法的多物理场仿真软件，能够对复杂的物理场进行模拟，例如电磁场、热场和光场等。它支持求解多场问题，用户可根据需求选取或自定义偏微分方程进行组合，以实现多物理场的直接耦合分析。完全开放的架构和可自定义偏微分方程是它的主要特点；强大的网格剖分能力；大规模计算能力，具备 Linux、Unix和Windows 系统下 64 位处理能力和并行计算功能；丰富的后处理功能，可进行各种数据、曲线、图片及动画的输出与分析等。因其强大功能能够模拟科学和工程领域的各种物理过程在虚拟仿真实验中被广泛使用。在石墨烯研究中，COMSOL可用于传热、电气、结构力学等方面的模拟，例如模拟石墨烯“被子”的传热过程、推导石墨烯基复合材料的电导率以及计算石墨烯膜在压力差作用下的挠度和应变等。

三、三维石墨烯的制备技术

3.1常见的制备方法

（1）化学气相沉积法（CVD）：CVD法是制备三维石墨烯的常用方法。其原理是在高温下，将碳源气体（如甲烷、乙烯或其他碳化物等）与氧气、氮气或其他还原剂反应，最终沉积在金属催化剂（如铜、镍等）表面从而形成石墨烯。通过调控反应条件（如温度、气体流量、反应时间等），可以实现改变三维石墨烯的结构和性能。

（2）水热法：水热法是在高温高压的水溶液中，使石墨烯前驱体（如氧化石墨烯）发生化学反应，除去氧化石墨烯的含氧基团，同时恢复其共轭域，使其基面具有疏水性，然后导致片层之间的随机三维堆叠，形成三维结构。

（3）模板法：模板法是利用具有特定结构的模板（如金属、聚合物、冰晶甚至气泡等）来引导石墨烯或者石墨烯衍生物（如氧化石墨烯）的生长，形成由模板指定的形状结构的三维石墨烯。通过选择不同的模板和控制反应的条件，可以获得不同形貌和性能的三维石墨烯。

本实验以有机酸盐作为碳源，金属镍离子作为中心离子，通过一步回流法获得金属有机配合物，经过高温碳化处理后得到三维石墨烯基碳材料。

3.2基于虚拟仿真实验的制备过程模拟

在虚拟仿真实验中可以通过改变反应温度、气体流量、催化剂种类等参数来设定反应条件和优化反应条件，模拟不同实验条件下的制备三维石墨烯的过程，从而找到制备三维石墨烯的最优条件，提高制备效率和产品质量。

例如在CVD法中，通过模拟不同温度下碳源气体的分解量和石墨烯的生长过程，可以确定最佳的反应温度的范围。同时，通过模拟不同气体流量对石墨烯生长速率和质量的影响，可以优化气体流量参数，实现高效、高质量的制备。

利用虚拟仿真实验的可视化技术可以直观地观察到石墨烯的生长过程和生长机制，操作者可以观察到石墨烯在催化剂表面的成核、生长和团聚的全过程，以及石墨烯片之间的相互作用和自组装过程。通过对生长机制的深入分析，可以更好地理解三维石墨烯的形成过程，为制备工艺的改进和创新提供理论依据。

通过虚拟仿真实验对不同制备方法进行比较和评估，通过对比CVD法、水热法和模板法在制备成本、制备效率、产品质量等方面的优缺点，为选择合适的制备方法提供参考。同时，还可以通过虚拟仿真实验，研究不同制备方法之间的协同作用，探索新的制备技术和工艺。

四、三维石墨烯样品的结构、形貌表征

对所得三维石墨烯材料进行形貌和结构的表征（包括SEM、TEM、XRD、Raman及N2吸附/脱附测试等）及相应的电化学性能测试。

4.1扫描电子显微镜（SEM）

扫描电子显微镜是利用聚焦的很窄的高能电子束轰击样品表面，通过对电子束与物质相互作用产生的二次电子进行收集、放大与再成像来获得待测样品的微观形貌。

4.2透射电子显微镜（TEM）

透射电子显微镜与扫描电子显微镜相比具有更高的放大倍数，分辨率高达0.2 nm，通常是利用高速运动的电子与样品发生作用，通过磁透镜来成像，进而用于材料的内部结构、颗粒尺寸以及晶格结构测试分析。

4.3 X 射线衍射仪（XRD）

X 射线衍射仪（XRD）是通过对样品产生X 射线衍射，进而获得对应样品晶体结构的衍射图谱。通过将测试图谱与标准卡片进行对比分析，就可以判断样品的晶体结构和物相属性等信息。

4.4 拉曼光谱仪（Raman）

拉曼光谱仪（Raman）是依据拉曼散射效应的原理，对与入射光频率不同的散射光谱进行定性分析得到物质分子在不同方向上转动、振动的信息，从而获取分子结构信息。

4.5 N2 吸附/脱附测试

通过对材料进行N2吸脱附测试可以表征材料的孔道结构特征（比表面积、孔体积及孔径大小等相关信息）

五、电化学性能探究

5.1电化学性能的关键指标

（1）比电容是判断三维石墨烯电极材料在储能方面的关键指标。它表示单位质量或单位体积的电池或活性物质所能放出的电量的能力。一般来说，比电容越大说明其储能能力越强。

（2）充放电速率是反映三维石墨烯电极在充电和放电过程中的速度。充放电速率越高

说明电极能更快地存储和释放电能，性能更好。

（3）循环稳定性是指三维石墨烯电极在多次充放电循环后，其电化学性能保持不变的能力。循环稳定性越高说明其在实际应用中更加长期稳定。

（4）密度能量和功率密度：密度能量表示单位质量或单位体积的电极材料能够存储的能量，而功率密度表示单位质量或单位体积的电极材料能够输出的功率。这两个指标综合反映了三维石墨烯电极在能量存储和输出方面的性能。

5.2虚拟仿真实验中的电化学性能测试

在虚拟仿真实验中需要建立合适的电化学模型来模拟三维石墨烯电极的充放电过程。常用的电化学模型包括等效电路模型、扩散模型、电化学反应动力学模型等。

例如，对于超级电容器中的三维石墨烯电极，可以建立等效电路模型，其中包括电阻、电容和电感等元件，来模拟电极的充放电行为。

模拟充放电过程通过输入实验参数（如电极材料的物理参数、电解液的性质、充放电电流等），利用建立的电化学模型模拟三维石墨烯电极的充放电实验。在模拟过程中，可以实时监测电极电位、电流、电荷存储量等参数的变化。

通过虚拟仿真实验分析性能影响因素，可以分析出各种因素对三维石墨烯的电化学性能方面的影响。例如，可以研究电极材料的孔隙结构、比表面积、导电性、表面官能团等因素对比电容的影响；研究电解液的离子浓度、粘度、扩散系数等因素对充放电速率的影响；研究电极的制备工艺、结构稳定性等因素对循环稳定性的影响。

六、结果与讨论

6.1虚拟仿真实验结果分析

通过虚拟仿真实验探究制备条件对三维石墨烯结构的影响，分析不同pH条件对三维石墨烯结构（如孔隙率、层数、片径等）的影响。结果表明，HCl用量在石墨烯基碳材料的合成过程中存在重要影响。

通过虚拟仿真实验探究三维石墨烯的结构与电化学性能的关系，研究三维石墨烯的结构参数（孔隙率、比表面积、导电性等）与电化学性能（比电容、充放电速率、循环稳定性等）之间的关系。结果发现，孔隙率和比表面积能够影响比电容，提高孔隙率越高，三维石墨烯的比电容越大；比表面积越大，三维石墨烯的比电容越大；导电性越好，电荷移动速率越大，充放电速度越快。

6.2对未来研究和应用的启示

基于虚拟仿真实验的结果进行分析，受到一些关于在未来研究和应用三维石墨烯的启发。在制备技术方面，可以进一步优化反应条件，开发新的催化剂和模板，以提高三维石墨烯的质量和性能；在电化学性能研究方面，可以深入研究三维石墨烯的微观结构与电化学性能之间的关系，为设计高性能的电极材料提供理论指导；在应用方面，可以将三维石墨烯与其他材料进行复合，开发出具有更优异性能的储能器件和传感器。

七、结论

本文通过利用虚拟仿真实验探究了三维石墨烯的制备技术和电化学性能的影响因素。在制备三维石墨烯过程中，通过虚拟仿真实验不断修改反应条件，观察到在不同条件下三维石墨烯的生长过程和内部结构。在探究电化学性能影响因素时，通过建立电化学模型，模拟充放电过程，分析性能影响因素，揭示了结构与电化学性能之间的关系。三维石墨烯的电化学性能与其结构有着密切的关系，孔隙率、比表面积、导电性与其电化学性能呈正相关。

虚拟仿真实验技术在三维石墨烯研究中有着巨大的意义。未来，可以进一步提高虚拟仿真实验的精度和可靠性，拓展其应用范围，与实际实验更加紧密地结合，为三维石墨烯的研究和应用提供更强大的支持。同时，随着科研人员不断的研究三维石墨的烯性能和创新其制备技术，三维石墨烯已逐渐进入大众视野，相信未来三维石墨烯能够在能源存储与转换、传感器、催化等领域发挥更加重要的作用。

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作者简介：

张锋（1981.04-）男，汉族，吉林梅河口人，大连工业大学轻工与化学工程学院教授，博士，研究方向：无机功能纳米材料

《三维石墨烯的制备及其电化学性能研究虚拟仿真实验》项目编号：230805940245512

教育部产学合作协同育人项目2024年第一批次立项项目