【摘要】：石墨烯是一種由碳原子組成的二維周期蜂窩狀點陣結構材料,具有高的電導率和遷移率、大的比表面積、良好的機械強度及熱穩(wěn)定性等特點,因此是理想的復合材料組元。由于石墨烯優(yōu)異的物理化學性能,石墨烯復合材料在能源轉換和存儲方面的應用也被認為具有廣闊前景。尤其在熱電材料和鋰離子電池領域,石墨烯復合材料被廣泛關注。本文設計和制備了石墨烯-合金復合材料,研究了它們的熱電性能或電化學吸放鋰性能。具體研究了石墨烯-CoSb3(CoSb3/G)體系、石墨烯-PbTe(PbTe/G)體系的熱電性能以及石墨烯-錫基合金復合物(CoSn2/G和FeSn2/G)的電化學吸放鋰性能。主要成果可以歸結如下：提出納米化結合復合化的策略提高p型CoSb3體系的熱電性能。采用溶劑熱法制備了CoSb3/G納米粉末,其中CoSb3顆粒尺寸約為5-10 nm。由于石墨烯的存在,經過600℃熱壓燒結2 h后的復合材料中CoSb3晶粒尺寸仍保持在100nm左右,遠小于純CoSb3試樣的顆粒尺寸。熱電性能研究發(fā)現,與含量為1.5 wt%的石墨烯原位復合后,材料的室溫電導率從約11000提高到了51000 Sm-1,室溫晶格熱導率從1.05降低到了0.9W m-1K-1。CoSb3/G試樣在800 K時zT值達到0.61,而純CoSb3僅為0.26。體系電導率的提高是由于石墨烯對體系載流子濃度和載流子遷移率的共同提高。體系晶格熱導率的降低是由于均勻分散的石墨烯造成更多界面散射。采用共沉淀法制備了CoSb3/G的前驅體,將前驅體在不同氣氛(氫氣和氫氮混合氣)中燒結得到CoSb3/G復合材料。熱電測試發(fā)現,石墨烯的引入提高了體系電導率并降低了熱導率,這與溶劑熱結合熱壓法制備的CoSb3/G試樣類似。說明在不同合成工藝或合成條件下,石墨烯的引入都能在一定程度上提高電導率并降低熱導率。采用溶劑熱法制備了PbTe/G復合物,尺寸為100-200 nm的PbTe立方體顆粒被包裹在石墨烯片層中。由于石墨烯的存在,經過600℃熱壓燒結2h后,PbTe的納米結構仍得到保留。熱電性能研究發(fā)現,相比于純PbTe,復合材料的室溫電導率從約1300提高至22000 S m-1,室溫晶格熱導率從1.15降低到了0.85 W m-1K-1,這與溶劑熱結合熱壓法制備的CoSb3/G復合材料結果類似。說明對于不同材料體系,石墨烯的引入都能提高體系電導率并降低晶格熱導率。通過模型化處理發(fā)現石墨烯復合熱電材料的電導率遵循滲流理論。在滲流閾值以下,隨著石墨烯含量增加,體系的電導率也隨之增大。用有效介質理論分析復合材料熱性能變化,發(fā)現石墨烯對體系熱導率的影響依賴于石墨烯在基體中的分散狀態(tài)。采用一步溶劑熱法制備了CoSn2/G和FeSn2/G復合物。兩種復合物均呈現夾層結構,細小的納米顆粒均勻分布在石墨烯片層上及片層間,其中CoSn2/G中CoSn2顆粒尺寸僅為2-4 nm, FeSn2/G中FeSn2顆粒尺寸為10-30 nm。對復合材料及其相應合金的電化學性能對比,可以發(fā)現石墨烯的引入顯著提高了材料的電化學循環(huán)穩(wěn)定性及倍率性能。電化學性能的改善可以歸功于石墨烯防止了納米顆粒的團聚、阻礙了合金顆粒的長大以及在脫嵌鋰過程中抑制了體積膨脹,同時石墨烯也充當合金顆粒的導電網絡。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB333

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本文編號：2760162