【化学还原制备三维石墨烯及电化学性能研究9000字（论文）】

化学还原制备三维石墨烯及电化学性能研究目录TOC\o"1-3"\h\u11238第一章引言 第一章引言随着全球经济的快速发展，传统的石油，天然气及煤炭等不可再生资源日趋短缺，此外，传统化石燃料的使用也对自然生态环境造成了一定程度的破坏，这些问题促使人们寻找绿色、高能效、可持续的新型能源来应对这些严峻的挑战。新型能源的使用促进了能量储存装置的飞速发展，电化学能量储存装置因其具有高效率、环境友好、灵活性及适用范围广等优势逐渐受到了科研人员的关注。其中，锂离子电池与超级电容器在其相关领域已经取得了重大成果。在能量储存装置中决定其电化学性能优劣的关键因素之一就是电极材料。碳材料在形貌，结构和结晶度等方面具有良好的可塑性，此外该材料还具有良好的化学稳定性，热稳定性和价格低廉等优点，目前已经成为锂离子电池和超级电容器的重要电极材料，并表现出良好的应用性能。然而，传统的石墨化碳材料用作电极材料时理论容量较低，实际的电化学性能已经不能满足需求。为了克服这个缺点，人们开始探索具有特殊结构的碳纳米材料来改善其电化学性能。因此，具有优异的物理、化学及机械性能的二维石墨烯材料逐渐引起了广泛的关注，它具有较大的比表面积（2630m2g-1）、较高的电子迁移率（2×105cm2V-1s-1）及优异的导热性（5000Wm-1K-1）等优点。但传统二维石墨烯在实际使用过程中，由于石墨烯片层之间较强的π-π相互作用使已经分离的单层石墨烯之间发生团聚，不利于能量储存和传输。解决二维石墨烯这些缺点的有效方法之一就是构建具有三维结构的石墨烯纳米材料。三维石墨烯不仅保留了二维石墨烯的优点还具有独特的多孔性、柔韧性及传质性等性质，从而使石墨烯在环境、储能、生物分析及传感领域表现更为突出。第二章实验材料及测试方法2.1实验试剂与原料表2.1所列为本论文实验过程中所需试剂与原料表2.1实验试剂与原料2.2实验仪器与设备表2.2中为本实验中所涉及主要仪器与设备表2.2主要仪器与设备2.3材料的表征方法2.3.1扫描电子显微镜（SEM）通过扫描电子显微镜可以获得材料的相关微观形貌信息。其原理为利用聚焦得非常细的电子束去轰击样品表面，通过对电子束与样品相互作用产生的二次电子进行接收、放大与显示成像来获得待测样品的微观形貌。本论文中所采用的仪器是由日本JEOL公司生产的JEOL6610型场发射扫描电子显微镜，其工作电位为20kV。2.3.2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0.2nm，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。本论文中所使用的仪器是JEOL公司制造的JEOL2100型透射电子显微镜，其中加速电压为200kV。2.3.3X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。本论文中采用的测试仪器为日本岛津公司生产的ShimadzuLabX-6000型XRD。采用CuKa辐射照射，λ=0.15418nm，工作电流为30mA，加速电压为40kV。本文实际测试中扫描速度设定为8omin-1，扫描范围2θ为10o-80o。2.3.4拉曼光谱仪（Raman）拉曼光谱仪（Raman）是依据拉曼散射效应的原理，定性分析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。本论文中采用的设备为Leica公司的Raman光谱仪，激发波长为532nm。2.3.5N2吸附/脱附测试通过对材料进行N2吸附/脱附测试可以获得相应材料的比表面积、孔体积及孔径大小等相关信息。本文采用的设备是北京精微高博有限公司制造的KB200型氮气吸附-脱附装置，对实验所制备材料进行相应的测试分析。在正式测试前将待测试样品置于150oC高温下预处理2h，随后在77K温度下进行测试。比表面积与孔径分布（PSD）分别通过Brunauer–Emmett–Teller(BET)模型及Barrett–Joyner–Halenda模型进行处理。2.4电化学测试方法本文中所制备的三维石墨烯基碳材料被用作锂离子电池。锂离子电池的整个组装过程均在充满高纯氩气的手套箱中进行（O2，H2O<0.5ppm），以实验中所制备的样品作为锂离子电池的正极材料，高纯度锂片作为负极，美国Celgard2340型高分子膜作为隔膜，采用1MLiPF6（碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）和碳酸甲酯（EMC）质量比为1:1:1）溶液作为电解质溶液，按照正极壳-电极材料-电解液-隔膜-锂片-垫片-弹簧片-负极壳的顺序组装成纽扣式测试半电池。使用CHI604E电化学工作站在0.01-3V的电压范围内对上述组装的扣式电池进行循环伏安（CV）测试，扫描速度为0.1mVs-1；采用LANDCT2001A电池测试系统对扣式电池进行恒流充放电循环性能测试及倍率性能测试（1C，2C，4C，10C与20C），1C=372mAg-1。同样采用CHI604E电化学工作站对其进行阻抗测试。第三章结果与讨论3.1三维石墨烯基碳材料的制备过程SiO2纳米球的制备：根据文献[60]中合成方法制备SiO2纳米球。具体步骤如下：依次量取15mL无水乙醇、5mL去离子水、0.7mL28wt%NH3•H2O于100mL烧杯中混合均匀，在快速搅拌状态下迅速加入0.6mL的正硅酸乙酯（TEOS），在室温下持续搅拌10h后进行离心分离，洗涤数次，在60℃烘箱中干燥即可获得SiO2纳米球。酚醛树脂的制备：首先，准确称取8g苯酚，在40℃下将其完全融化。在搅拌条件下，加入1.7g20wt%的NaOH水溶液，搅拌均匀；再加入14.2g37wt%的甲醛溶液，搅拌均匀后将混合溶液加热升至70℃，反应1小时，自然冷却至室温。然后利用2molL-1HCl溶液调节混合溶液的pH值至中性。随后将所得中性溶液在40℃下进行减压蒸馏以除去溶液内多余水分，进而获得酚醛树脂。最后将所获得的酚醛树脂分散在乙醇溶液中配制酚醛树脂乙醇分散液。三维石墨烯基碳材料的制备：量取适量酚醛树脂乙醇分散液于圆底烧瓶中，加入0.2-2.0g乙酸镍与0.577-1.731gSiO2，混合搅拌均匀。再倒入50mL氨水/乙醇混合液（体积比1:4），在50℃温度条件下回流3h。所得溶液再在60℃条件下蒸至粘稠状，最后所得粘稠状混合物在40℃下彻底干燥获得固体前驱体。将所得前驱体置于充满N2的管式炉中850℃高温煅烧4h后得到黑色碳化产物，使用4molL-1NaOH水溶液处理碳化产物以便除去模板剂SiO2，水洗至中性，再使用稀盐酸溶液处理以除去材料内部金属单质，再利用去离子水洗至中性。最后，将所得产物置于60℃烘箱中进行干燥处理即得最终三维石墨烯基碳材料。所得三维石墨烯基碳材料记为C-NH3-V-m1-m2。作为比较，通过相同的制备过程，除了不使用氨水外，同样获得三维石墨烯基碳材料，记为C-V-m1-m2，其中V、m1、m2分别代表酚醛树脂乙醇分散液的体积，乙酸镍的质量，模板剂SiO2的质量。同样，在实验中制备了不使用乙酸镍的碳材料进行对比，根据是否使用氨水分别记为C-NH3-V-0-m2与C-V-0-m2。3.2测试电极的制备方法按质量比8:1:1依次称取实验制备三维石墨烯基碳材料、粘结剂（聚偏氟乙烯PVDF)、导电炭黑（乙炔黑）于研钵中混合均匀，逐滴加入适量N-甲基吡咯烷酮（NMP）将混合物调至膏状。利用工具将所得膏体均匀的涂在25μm厚度的铜箔上，再将铜箔低温烘干，再置于100oC真空干燥箱中真空干燥24h，将干燥后的极片切割成1cm×1cm大小的方块即得测试电极，测试电极使用前在压片机上5MPa压力下压平，称重，计算活性物质质量。3.3形貌及结构表征3.3.1SEM与TEM测试分析为了研究所得材料的形貌结构，首先采用SEM测试来进行检测。图3.1A和B为样品C-NH3-10-1.0-0.577的SEM图片。从SEM图中可以看到样品C-NH3-10-1.0-0.577的结构中包含丰富的、孔径较大的球状孔洞结构。这些球状孔洞的直径均在190nm左右，恰好与所用的模板剂SiO2纳米球的直径相一致，这说明碳材料中的球状大孔结构是由于SiO2纳米球的参与形成的，证明SiO2纳米球在碳材料制备过程中起到了孔道模板剂的作用。从高倍SEM图中可以进一步看出球状大孔的孔壁结构中含有许多粒径较小的纳米粒子，彼此相互连接的纳米粒子之间存在丰富的介孔。为了进一步研究样品C-NH3-10-1.0-0.577的结构，同时又采用TEM测试对其进行了详细分析。从TEM图（图3.1C和D）中可以进一步验证球状大孔道的直径约为190nm。此外，可以明显看出大孔的孔壁上含有大量直径为10-20nm的中空碳纳米粒子，此结果与SEM结果一致。从高倍TEM图片中可以看出大孔孔壁上的中空纳米粒子是由层状石墨烯组成的石墨烯中空纳米粒子，并且这些石墨烯中空纳米粒子的周围还分布着一些无定形碳。基于上述SEM及TEM分析结果，可以看到本实验所制备的碳材料为三维石墨烯基碳材料。为了初步研究实验条件对所得三维石墨烯基碳材料结构的影响。分别对样品C-20-0.8-1.731进行了SEM与TEM测试研究（图3.2）。通过比较，不难看出在制备的过程中虽然反应物、模板剂及溶剂等实验条件与C-NH3-10-1.0-0.577相比发生了极大变化，但从SEM图中看出其球状大孔结构依然保持，只是大孔孔壁上纳米粒子数目明显减少。根据TEM照片分析，可以看到这些纳米粒子同样是由层状石墨烯组成的石墨烯空心纳米粒子，直径为10-20nm。因此，通过以上SEM与TEM结果分析可以认为在一定实验条下通过模板法制备出了三维石墨烯基碳材料。为了研究乙酸镍在材料制备过程中的作用，利用相似的实验过程，在不添加乙酸镍的条件下制备出碳材料C-NH3-10-0.0-0.577与C-20-0.0-1.731，并对其进行SEM与TEM测试。如图3.3与图3.4所示，可以明显看到两种碳材料依然具有去除模板剂SiO2纳米球后留下的三维大孔结构，但与使用乙酸镍获得的三维石墨烯基碳材料的结构相比，大孔孔壁光滑没有纳米粒子的存在，仅由无定形碳组成。因此，可以推断实验过程中Ni2+的存在对于三维石墨烯基碳材料的基本单元石墨烯空心纳米粒子的形成具有显著影响。3.3.2X-射线衍射（XRD）分析为了研究三维石墨烯基碳材料的晶体结构，对其进行了XRD测试分析。图3.5中为不同实验条件下所得产物的XRD测试结果。从谱图中可以清晰看到样品C-NH3-10-1.0-0.577及C-20-0.8-1.731在2θ=25°处具有明显的衍射峰，该峰对应石墨碳材料(002)晶面。而对于制备过程中不添加乙酸镍制备的C-NH3-10-0.0-0.577及C-20-0.0-1.731，它们的XRD谱图与许多无定形碳材料类似，仅在2θ=23.6°处存在较宽的衍射峰。这说明即使它们同样是经过850oC高温碳化处理获得的，但其依然不具有石墨化结构。这也进一步表明Ni2+在合成过程中对于提高碳材料的石墨化程度，即石墨烯空心纳米粒子的形成具有显著影响。此结果与TEM的分析结果相一致。图3.5材料的XRD图谱3.3.3拉曼光谱（Raman）分析通过拉曼光谱可以对所得碳材料的结构进行进一步的表征。如图3.6所示，所有样品的Raman图谱中都具有两个明显的信号峰，分别是在1340cm−1处的D峰与1587cm−1处G-峰。碳材料Raman谱图中的D峰主要是由于碳材料中sp3杂化碳原子产生的，通常说明材料中存在结构缺陷。而G峰则主要是来自石墨烯结构中sp2杂化碳原子。另外，在碳材料Raman光谱中，G峰与D峰两个信号峰的强度比值（IG/ID）往往可以用来说明碳材料的石墨化程度。对于样品C-NH3-10-1.0-0.577、C-20-0.8-1.731与C-NH3-10-0-0.577其峰强IG/ID比值分别为1.11、1.07与1.02，此结果表明三维石墨烯基碳材料的石墨化程度受酚醛树脂与乙酸镍的比例所影响，乙酸镍用量的增加在一定程度上可以提高材料的石墨化程度。另外，在样品C-NH3-10-1.0-0.577与C-20-0.8-1.731中还分别存在2D峰，代表石墨烯的二阶拉曼特性。通过对拉曼结果进行分析得出实验所制备的碳材料为三维石墨烯基类碳材料。图3.6材料的Raman图谱3.4实验影响因素分析为了探究反应物用量、模板剂用量及溶剂的种类对三维石墨烯基碳材料形貌及结构的影响。本实验对不同的实验条件下制备的一系列的碳材料进行相关表征测试。首先对溶剂种类的影响进行了初步的研究，对于制备过程不使用NH3•H2O的样品C-10-1.0-0.577进行SEM表征。如图3.7所示，其形貌与C-NH3-10-1.0-0.577几乎相同，都具有三维大孔结构，孔壁是由石墨烯中空粒子组成。这些结果表明在材料制备过程中NH3•H2O的存在不影响三维石墨烯基碳材料的结构形貌。但在实验过程中发现NH3•H2O可以加快乙酸镍的溶解及溶剂的蒸发速度，缩短反应时间。图3.7C-10-1.0-0.577的SEM图同样，为了研究模板剂用量对于材料结构的影响，采用了SEM来研究不同模板剂用量制备的三维石墨烯基碳材料的形貌结构。如图3.8A-C所示，当酚醛树脂乙醇分散液的体积为20mL，SiO2纳米球质量在0.577-1.731g范围内时，均可以获得三维石墨烯基碳材料，并且均具有三维大孔结构。但是明显可以看到随着SiO2纳米球用量的增加，材料结构中的大孔孔壁逐渐变薄。这主要是由于随着SiO2纳米球用量的增加，必然会造成分散在纳米球间隙内的酚醛树脂变少，从而导致形成较薄的大孔孔壁。当SiO2纳米球的用量增加至一定程度时，如图3.8D所示，酚醛树脂乙醇分散液体积为10mL，SiO2质量为1.731g，纳米球间隙内过少的酚醛树脂致使不能形成完整的球形大孔道，即获得结构不完整的三维石墨烯基碳材料。另外，研究发现乙酸镍的用量对三维石墨烯基碳材料的结构也具有显著的影响，如图3.2A与B，图3.8C与图3.9所示，当反应体系中乙酸镍的质量小于1.6g时，所得三维石墨烯基碳材料均保持着三维大孔结构，但当乙酸镍的质量大于2g时，材料中的大孔结构则明显遭到破坏。这主要是由于随着乙酸镍用量增加碳材料中将形成更多的石墨烯基中空纳米粒子，从而形成组成中的无定形碳，而较少的无定形碳不足以维持大孔孔壁结构，从而导致大孔结构坍塌。图3.8样品C-20-0.5-0.577（A）,C-20-0.5-1.154（B）,C-20-0.5-1.731（C）,C-10-0.5-1.731（D）的SEM图图3.9样品C-20-1.6-1.731（A）与C-20-2.0-1.731（B）的SEM图Fig.3.9TheSEMimagesof(A)C-20-1.6-1.731and(B)C-20-2.0-1.731.为了进一步研究各种实验条件对于三维石墨烯基碳材料的比表面积及孔结构的影响，本文对一系列碳材料进行了N2吸附/脱附测试。从表3.1中数据可以发现以下几方面的结论，首先在样品制备过程中NH3•H2O的存在与否对最终产品的比表面积影响不大。其次，三维石墨烯基碳材料的比表面积随着模板剂SiO2纳米球用量的增加而增大，这是由于更多的SiO2纳米球的加入可以产生更多的大孔结构从而增加碳材料的比表面积。另外，乙酸镍的用量则对三维石墨烯基碳材料的比表面积的影响表现出一定的变化规律。当乙酸镍的用量小于0.8g时，所得材料比表面积随着乙酸镍用量的增加而逐渐降低，因为随着乙酸镍用量的增加会促使形成更多的石墨烯中空纳米粒子，从而使材料中的无定形碳含量降低。随着乙酸镍用量的继续增加，材料中形成更多的石墨烯中空纳米粒子，从而导致产生更多的介孔结构及更高的比表面积。以上结果证明在实验过程中可以通过调节模板剂SiO2纳米球及乙酸镍的用量实现对三维石墨烯基碳材料的比表面积和孔体积的调控。表3.1材料的比表面积、孔体积、微孔体积及平均孔径3.5三维石墨烯基碳材料的形成机制为了探究三维石墨烯基碳材料的形成机制，本文对经过高温碳化后未进行酸碱处理的碳化产物进行了XRD测试（图3.10）。在XRD图谱中存在三个明显的衍射峰，分别在44.5°、52.0°与76.3°。通过与标准图谱对比发现这些衍射峰归属于金属镍单质的特征衍射峰。通过该XRD测试结果可以说明在高温碳化处理过程中，前驱体中的Ni2+经还原变成金属镍单质。根据前面实验结果，可以推断出如图3.11所示的三维石墨烯基碳材料的形成机理图，其大致形成过程如下：首先，SiO2纳米球与乙酸镍均匀分散在酚醛树脂乙醇分散液中通过合适的制备方法获得前驱体；随后，对所得前驱体进行高温碳化处理，在碳化过程中，H、O及部分C这些元素以挥发性的H2、H2O、CO、CO2及焦油的形式从前驱体中离开，同时Ni2+被CO、H2及焦油等还原性物质还原为金属镍纳米粒子。部分剩余的碳原子在SiO2纳米球表面部分碳转化为无定形碳产生三维大孔网络结构，金属镍纳米粒子作为催化剂与模板剂促使一些碳原子组装成石墨烯碳进而形成石墨烯中空纳米粒子。最后，分别使用NaOH与HCl溶液去除SiO2纳米球及金属镍单质后即可获得三维石墨烯基碳材料。图3.10样品C-NH3-10-0.0-0.577andC-20-0.0-1.731的XRD图图3.11三维石墨烯基碳材料的形成机制示意图3.6电化学性能3.6.1恒流充放电测试分析图3.12A为样品C-20-0.8-1.731在1C时的前三次的电化学恒流充放电曲线。在第一次放电曲线中可以看到在大约0.5V电压处存在一个明显的电压平台，而在后续的充放电过程中该平台则消失。根据文献报道[62,63]，这个电压平台的出现主要是由于电解质溶液在电极材料的表面分解产生的SEI膜所致。对于C-20-0.8-1.731，其在第一次充放电过程中的放电比容量为1410mAhg−1，充电比容量为478mAhg−1。在第一次充放电过程中具有较大的不可逆容量，这主要是由于电极表面SEI膜的形成。另外，样品C-20-0.8-1.731的首次充放电库仑效率为33.9%，而在第二次循环时库仑效率增至78.3%。在经历五次循环后，材料的库仑效率可以达到88.6%，同时具有413mAhg−1的可逆比容量。经过十次循环以后可逆比容量依然达到394mAhg−1，并且充放电曲线形状几乎没有发生改变，这一现象表明该材料具有良好的循环稳定性。图3.12C-20-0.8-1.731的电化学充放电曲线（A）；C-20-0.8-1.731,C-NH3-10-1.0-0.577andC-NH3-10-0.0-0.577的倍率性能（B）；C-20-0.8-1.731（C）与C-NH3-10-0.0-0.577（D）的循环伏安曲线图3.12B为实验所得材料的倍率性能测试结果。从图中可以看出，样品C-20-0.8-1.731在1C、2C、4C、10C与20C充放电倍率下的可逆比容量分别为395mAhg−1、334mAhg−1、267mAhg−1、199mAhg−1与163mAhg−1。当材料重新在1C的充放电倍率下进行充放电测试时，其可逆比容量仍然可以达到378mAhg−1。与已报道的多种石墨烯类碳材料相比，本实验所制备的三维石墨烯基碳材料的电化学性能具有一定的优越性（表3.2）。其优异的循环稳定性及倍率性能主要归因于该三维石墨烯基碳材料具有多级纳米结构。首先，材料中的大孔网络结构有利于Li+及电解质溶液在电极材料内部的扩散，大孔孔壁上丰富的介孔则有利于电解质溶液及Li+进一步扩散到材料内部。其次，由多层石墨烯组成的中空纳米粒子能够缩短Li+扩散距离，同时有利于电子传输。最后，碳材料中的微孔结构在一定程度上能够增加储理可逆容量。表3.2本实验中材料与其他碳材料的电化学性能比较为了探究三维石墨烯基碳材料的比表面积及孔道结构对其电化学性能的影响，本实验将C-NH3-10-1.0-0.577与C-NH3-10-0.0-0.577同样作为锂离子电池电极材料在相同的条件下进行电化学性能测试(图3.12B)。从图中可以看出三维石墨烯基碳材料C-NH3-10-1.0-0.577与三维大孔碳材料C-NH3-10-0.0-0.577相比具有更优异的电化学性能，即使后者由于具有丰富的无定形碳结构使其具有更高的比表面积及更多的微孔。造成这一现象的主要原因可能归因于前者中的石墨烯中空纳米粒子，使三维石墨烯基碳材料具有更高的石墨化程度及更大的介孔体积，有利于电解质溶液的扩散并且一定程度上缩短了锂离子与电子的扩散距离，因此呈现出更优异的电化学性能。3.6.2循环伏安曲线（CV）测试为进一步探究三维石墨烯基碳材料的储锂机制，对其进行了循环伏安测试。图3.12C与D分别为样品C-20-0.8-1.731与C-NH3-10-0.0-0.577在0.01-3.00V电压范围内的循环伏安测试曲线。首先，第一次循环过程中在电压0.01V，0.45V与1.15V处存在三个阴极峰，其中在0.01V处的峰与锂离子嵌入石墨烯层有关，0.45V处的峰是由于在电极材料表面形成SEI膜，而1.15V处的阴极峰主要是由于碳材料表面含氧官能团的还原造成的[64,65]。另外，首次循环过程中，在0.14V与1.15V处还存在两个阳极峰，分别归因于锂离子从石墨烯层中的脱嵌反应及锂离子与材料表面含氧官能团的相互作用[66]。同时可以看到C-20-0.8-1.731在0.14V处的阳极峰比C-NH3-10-0.0-0.577明显，主要由于前者具有更高的石墨化程度。通过对比发现样品的循环伏安曲线与充放电曲线恰好对应，且从第二循环次以后曲线形状几乎没有发生改变，表明材料具有较好的电化学可逆性。3.6.3阻抗图谱（EIS）分析通过对三维石墨烯基碳材料进行阻抗测试分析研究它们的电荷转移能力。如图3.13所示，整个阻抗图谱包括三部分，分别为低频区的斜线，中频区的半圆及高频区的与X轴的截距。其中斜线的斜率表示电解质溶液的扩散动力学，半圆的直径代表材料的电荷转移电阻，截距大小表示材料的内阻。从图中明显可以看出C-NH3-10-1.0-0.577与C-20-0.8-1.731的半圆直径小于C-NH3-10-0-0.577，表明C-NH3-10-0-0.577具有较小的电荷转移电阻。从前面的数据分析中得知C-20-0.8-1.731相比于C-NH3-10-1.0-0.577具有更优异电化学性能，即使后者具有更高的石墨化程度，但其比表面积及孔体积相对较小。因此，可以得出多孔网络结构与石墨化程度对碳材料的电化学性能起协同作用。图3.13样品C-NH3-10-1.0-0.577，C-20-0.8-1.731andC-NH3-10-0-0.577的EIS图谱第四章总结本文采用简单的模板法，以酚醛树脂作为碳源，SiO2纳米球作为模板剂制备出一系列具有不同形貌及结构的三维石墨烯基碳材料，并采用各种表征手段及电化学测试方法对其结构及性能进行检测分析。通过实验探究发现该材料的形貌、结构、石墨化程度、比表面积及孔体积可以通过改变反应物与模板剂的用量来调控。具体结论有：（1）NH3·H2O的存在与否对最终三维石墨烯基碳材料的形貌结构没有影响，但可以加速乙酸镍的溶解速率及实验过程中溶剂的蒸发从而缩短反应时间；（2）模板剂的用量可以决定材料中三维大孔孔壁的厚薄，随着模板剂SiO2用量的增加，产生更多的大孔结构增加材料的比表面积，但过多的模板剂则导致纳米球间酚醛树脂乙醇分散液不足从而导致大孔结构的坍塌；（3）乙酸镍的用量对于最终产物中的中空石墨烯纳米球的含量起决定性作用。乙酸镍质量越高，则前驱体中存在越多的Ni2+，经过高温碳化后形成更高的金属镍单质，从而使材料中具有更多的由多层石墨烯组成的中空纳米球。但当乙酸镍用量增加到一定程度时过多的碳原子用于形成中空石墨烯纳米球导致较少的无定形碳不足以维持材料的大孔结构同样导致三维大孔网络结构