本文關(guān)鍵詞： 碳量子點(diǎn) 靜電自組裝 低維碳基復(fù)合材料 化學(xué)修飾電極 電化學(xué)儲(chǔ)能　出處：《太原理工大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：能源與環(huán)境是當(dāng)今世界面臨的兩大問(wèn)題,大力開(kāi)發(fā)清潔能源技術(shù)是決定全球可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。低維碳基復(fù)合材料因其豐富的資源,卓越的物理和化學(xué)性質(zhì)為環(huán)境檢測(cè)、清潔能源轉(zhuǎn)換與利用等提供了良好的發(fā)展平臺(tái)。基于碳量子點(diǎn)(Carbon quantum dots,CQDs)構(gòu)建的低維碳基復(fù)合材料與體相材料相比,表現(xiàn)出更加優(yōu)異的光電化學(xué)性能,從而在電化學(xué)傳感器、光催化以及電化學(xué)儲(chǔ)能等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,并在調(diào)控物質(zhì)形貌,實(shí)現(xiàn)功能組裝和改善催化性能等方面具有重要的研究?jī)r(jià)值。本論文主要闡述了基于CQDs構(gòu)建的低維碳基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制備及其在光電化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。通過(guò)合成一系列高質(zhì)量、高性能的低維碳基復(fù)合材料,包括石墨烯量子點(diǎn)(Graphene quantum dots,GQDs)修飾電極、CQDs/質(zhì)子化g-C_3N_4(Proton-functionalized graphitic carbon nitride,HpCN)、CQDs/聚吡咯納米線(polypyrrole nanowire,PPy-NW)和CQDs/聚吡咯復(fù)合物等材料,并研究了其在電化學(xué)傳感器、光催化和超級(jí)電容器等方面的性能。充分體現(xiàn)出靜電自組裝法和電化學(xué)聚合法的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和廣泛適用性,并展現(xiàn)出低維碳基復(fù)合材料在光電化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)良好的應(yīng)用前景。本論文的主要研究?jī)?nèi)容具體如下:1.提出一種靜電自組裝法制備GQDs修飾玻碳電極(Glassy carbon electrode,GCE)的新思路,并研究了對(duì)苯二酚(Hydroquinone,HQ)和鄰苯二酚(Catechol,CC)在該修飾電極上的電化學(xué)行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在最佳優(yōu)化條件下,GQDs/GCE對(duì)HQ和CC比裸GCE、OH /GCE表現(xiàn)出更強(qiáng)的電催化氧化能力,采用差分脈沖伏安法同時(shí)測(cè)定HQ和CC分別在4.0~600.0μM和6.0~400.0μM范圍內(nèi)具有良好的線性響應(yīng),檢出限分別是0.40μM和0.75μM。而且,該修飾電極還具有良好的重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和實(shí)際應(yīng)用能力。2.利用靜電自組裝法制備基于CQDs/HpCN復(fù)合材料的非金屬光催化劑。采用g-C_3N_4濃硝酸質(zhì)子化作用將其剝離成表面帶有大量正電荷的二維HpCN,然后經(jīng)靜電吸引作用與表面帶有負(fù)電荷的CQDs相結(jié)合,制備出一種具有優(yōu)異光催化性能的非金屬催化劑。通過(guò)不同材料的固體紫外-可見(jiàn)漫反射、瞬態(tài)光電流、電化學(xué)交流阻抗譜圖以及光催化降解亞甲基藍(lán)(Methylene blue,MB)的研究表明,相比較于純g-C_3N_4和HpCN,CQDs/HpCN復(fù)合材料表現(xiàn)出較好的可見(jiàn)光響應(yīng)能力和光催化活性,在可見(jiàn)光照射下CQDs/HpCN復(fù)合材料使MB在1.5 h內(nèi)達(dá)到90%以上的降解率,光電流密度達(dá)到1.89μA·cm~(-2),并且經(jīng)過(guò)5次循環(huán)實(shí)驗(yàn),CQDs/HpCN復(fù)合材料仍可保持較強(qiáng)的光催化活性。3.設(shè)計(jì)并采用靜電自組裝法成功制備出一種具有優(yōu)異電容性能的點(diǎn)畫(huà)線納米結(jié)構(gòu)CQDs/PPy-NW復(fù)合材料,經(jīng)過(guò)三電極體系測(cè)試研究表明,基于CQDs/PPy-NW的復(fù)合電極在電流密度為0.5 A·g~(-1)時(shí)比電容可達(dá)306 F·g~(-1),并且當(dāng)電流密度增加至80倍(0.5~40 A·g~(-1))時(shí)仍可保持原比電容值的66.8%。將該復(fù)合材料電極組裝成對(duì)稱超級(jí)電容器進(jìn)行測(cè)試,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,在電流密度為0.2 mA·cm~(-2)時(shí),該電容器的面積比電容可達(dá)248.5 mF·cm~(-2),且具有較高的能量密度(26.5μWh·cm~(-2))。此外,該電容器在電流密度為5 m A·cm~(-2)下經(jīng)過(guò)5000次循環(huán)實(shí)驗(yàn),其比電容保持率為85.2%,表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。總之,優(yōu)異的電化學(xué)性能表明CQDs/PPy-NW在高性能電容器電極材料方面具有良好的應(yīng)用前景。4.采用直接電化學(xué)聚合法將CQDs和吡咯單體(Py·+)共沉積到柔性基體不銹鋼絲網(wǎng)表面,制備得到CQDs/PPy復(fù)合物柔性電極,并且該過(guò)程無(wú)金屬離子電解質(zhì)參與。在此過(guò)程中,Py·+通過(guò)靜電吸引和電場(chǎng)作用以CQDs為核心在其表面聚合,從而在不銹鋼絲網(wǎng)表面上形成“納米島”多孔結(jié)構(gòu)。與純PPy形成的致密結(jié)構(gòu)相比,這種納米多孔結(jié)構(gòu)的“納米島”更有利于電荷與物質(zhì)的傳輸。將其組裝成全固態(tài)柔性超級(jí)電容器,在電流密度為0.2 m A·cm~(-2)下,該電容器的面積比電容為315 m F·cm~(-2)(對(duì)應(yīng)的質(zhì)量比電容為308 F·g~(-1)),經(jīng)過(guò)電流密度為2m A·cm~(-2)恒電流充放電測(cè)試2000次后,比電容值保持率仍可達(dá)85.7%,表現(xiàn)出較高的循環(huán)穩(wěn)定性。最后,通過(guò)彎曲不同角度測(cè)試其電化學(xué)性能,結(jié)果表明該電容器具有良好的柔性,而且可通過(guò)串并聯(lián)方式有效地增加其工作電壓和比電容,帶動(dòng)LED小燈泡,充分表明CQDs/PPy復(fù)合物是一種性能優(yōu)良的電化學(xué)儲(chǔ)能材料。5.為進(jìn)一步提高電化學(xué)電容器的能量密度,本文以前期優(yōu)化制備的CQDs/PPy復(fù)合物為正極材料,以二維石墨烯負(fù)載零維CQDs的低維碳基復(fù)合材料(CQDs/GR)為負(fù)極構(gòu)建了新型的、具有更高能量密度的CQDs/PPy//CQDs/GR非對(duì)稱超級(jí)電容器。由透射電鏡圖發(fā)現(xiàn),CQDs經(jīng)過(guò)與氧化石墨烯(GO)片層之間的π-π鍵合作用和分子間作用力緊密結(jié)合形成低維碳基復(fù)合材料。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明,該超級(jí)電容器實(shí)現(xiàn)了較寬的電位窗口(1.6 V)和較高的能量密度(44.4 Wh·kg~(-1)),并且在2000次循環(huán)實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。本項(xiàng)工作證明了CQDs/GR低維碳基復(fù)合材料作為非對(duì)稱超級(jí)電容器負(fù)極材料的可行性,進(jìn)一步推進(jìn)了高性能非對(duì)稱超級(jí)電容器的發(fā)展。
[Abstract]:鑳芥簮涓庣幆澧冩槸褰撲粖涓栫晫闈復(fù)鐨勪袱澶ч棶棰，

本文編號(hào)：1441979