本文關鍵詞：石墨烯納米材料的活化、摻雜及其超電容性能的研究

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【摘要】：便攜式超級電容器具有能量和功率密度大、體積小、柔韌性好、電位窗口寬、無電解液漏泄(安全)和易于加工等優(yōu)點,在可穿著的柔性電子產(chǎn)品上具有重要的應用前景,因而受到了廣泛的關注。其中,電極材料的選擇對于超級電容器的輕薄和柔性化最為關鍵。作為平面超級電容器電極材料的二維材料需擁有良好的機械性能,可以任意地卷曲、折疊,而且不會造成電極材料結構的坍塌和超級電容器明顯的性能損失等特點。由于石墨烯具有超大的理論比表面積,以及良好的電子導電性和優(yōu)良的機械強度等突出優(yōu)點,已有被用于超級電容器的報道。但是石墨烯片層間的范德華引力使其片層之間嚴重堆積,不利于電解液離子的傳輸,并且石墨烯片層間的堆積會導致石墨烯的實際比表面積利用率變小,從而導致石墨烯的電化學性能降低。因此為了提高石墨烯薄膜的應用價值,研究者對氧化石墨進行活化處理。經(jīng)過活化處理的氧化石墨表面被引入大量含氧官能團,這些官能團一方面可以削弱石墨烯片層間的范德華力來阻止片層的堆積,為電解液離子傳輸提供通暢的通道;另一方面也可以為后續(xù)的化學改性提供活化位點,有效改變其電化學性能。因此,本文用不同的活化劑對氧化石墨薄膜以及氧化石墨溶液進行活化,然后進行雜原子的摻雜,并進一步研究其電化學性能。該試驗方法簡單快捷,有工業(yè)應用前景。具體研究內(nèi)容如下:1、以氧化石墨薄膜為基底材料,用HF作為活化劑在氧化石墨表面引入大量含氧官能團,然后用氨水作為摻氮劑和還原劑制備摻氮的石墨烯薄膜材料。HF具有極強的腐蝕性,用HF作為活化劑,可以在氧化石墨表面引入大量孔結構,增加電解液離子傳輸?shù)耐瑫r保證了氧化石墨薄膜的膜狀結構。另外,通過活化在氧化石墨表面引入大量的含氧官能團,為氮元素的摻雜提供活性位點。通過氮元素的摻雜,一方面可以提高電極材料與電解液的浸潤性,提高電化學反應的效率;另一方面可以提供贗電容性能,從而提高材料的電化學性能。所制得的復合材料通過電化學測試結果表明:在1 A g-1的電流密度下,其比容量可達到282 F g-1高于沒有活化處理的石墨烯薄膜的電容值245 F g-1。在10 A g-1的電流密度下,其比容量仍可保持在177 F g-1。在1 A g-1電流密度下,該復合材料經(jīng)過10000次充放電測試后,比容量保持率為87%。2、強氧化劑高錳酸鉀作為活化劑對氧化石墨溶液進行活化處理,然后采用真空抽濾得到多孔氧化石墨薄膜,氨水作為摻雜劑和還原劑來實現(xiàn)氮元素的摻雜。氧化石墨片層間由于含氧官能團同種電荷相互排斥的作用阻礙了片層堆積,隨后的水熱作用摻入氮元素,并且利用水分子插層進一步增大石墨烯片層間的距離,為電解液離子的傳輸提供了三維孔道結構。在電流密度為1 A g-1時的比容量分別為313 F g-1,而沒有活化處理的石墨烯薄膜的比容量則為270 F g-1。當電流密度增大到10 A g-1的時候樣品的比電容依然可以保持在183 F g-1,電容保持率為58%。3、以高錳酸鉀活化處理得到的多孔氧化石墨溶液為基底材料,通過水熱法實現(xiàn)氮元素和磷元素的共同摻雜,氮元素的摻雜一方面可以增加電極材料與電解液的浸潤性,另一方面可以提供贗電容。磷元素的摻雜可以通過形成C-P鍵取代不可逆C-O鍵來拓寬電極材料電位窗口。電化學測試結果表明在水系電解液下電位窗口可以增加到1.5 V,能量密度高達12.1 Wh kg-1。在有機體系下測試電化學性能,結果表明,材料的能量密度可以高達67.8 Wh kg-1。在1 A g-1電流密度下,該復合材料經(jīng)過5000次充放電測試后,比容量保持率為98%。
【關鍵詞】：氧化石墨 薄膜 活化 能量密度 超級電容器
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O613.71;TM53
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 緒論13-26
• 1.1 引言13
• 1.2 超級電容器簡介13-17
• 1.2.1 超級電容器的定義13
• 1.2.2 超級電容器的特點13-14
• 1.2.3 超級電容器的結構14-16
• 1.2.3.1 電極14
• 1.2.3.2 電解液14-15
• 1.2.3.3 隔膜15-16
• 1.2.3.4 集流體16
• 1.2.4 超級電容器的工作原理16-17
• 1.2.4.1 雙電層電容器的工作原理16-17
• 1.2.4.2 法拉第準電容器的工作原理17
• 1.2.4.3 混合電容器的工作原理17
• 1.3 碳基雙電層電容器電極材料的研究進展17-22
• 1.3.1 活性炭17-18
• 1.3.2 模板炭18
• 1.3.3 碳納米管18-19
• 1.3.4 石墨烯19-22
• 1.3.4.1 石墨烯的結構20
• 1.3.4.2 石墨烯的合成20-22
• 1.4 碳材料微觀結構對電容性能的影響22-24
• 1.4.1 比表面積22-23
• 1.4.2 孔徑分布23
• 1.4.3 表面官能團23
• 1.4.4 晶體結構23-24
• 1.4.5 導電性24
• 1.4.6 潤濕性24
• 1.5 本課題的研究思路及主要研究內(nèi)容24-26
• 第二章 實驗技術、材料表征及電化學測試技術26-29
• 2.1 實驗所用儀器26
• 2.2 實驗所用試劑26
• 2.3 電極材料的結構表征26-28
• 2.3.1 X射線光電子譜（XPS）27
• 2.3.2 接觸角測試27
• 2.3.3 傅里葉變換紅外光譜（FTIR）27
• 2.3.4 拉曼光譜（Raman）27
• 2.3.5 透射電子顯微鏡（TEM）分析27
• 2.3.6 掃描電子顯微鏡（SEM）分析27
• 2.3.7 N_2吸附-脫附分析27-28
• 2.4 電化學測試技術28-29
• 2.4.1 循環(huán)伏安測試28
• 2.4.2 恒流充/放電測試28
• 2.4.3 交流阻抗測試28-29
• 第三章 多孔摻氮柔性石墨烯薄膜電極的制備及其電容性能的研究29-39
• 3.1 引言29-30
• 3.2 實驗部分30-38
• 3.2.1 氧化石墨的制備30
• 3.2.1.1 預處理30
• 3.2.1.2 氧化過程30
• 3.2.2 摻氮石墨烯薄膜的制備30-31
• 3.2.2.1 氧化石墨薄膜（GOF）的制備30
• 3.2.2.2 HF活化氧化石墨薄膜的制備30-31
• 3.2.2.3 摻氮石墨薄膜(HF-GNF)的制備31
• 3.2.3 材料的結構和電化學性能測試31-38
• 3.2.3.1 氮摻雜石墨烯薄膜材料的物性表征31-34
• 3.2.3.2 氮摻雜石墨烯薄膜材料的電化學特性34-38
• 3.3 本章小結38-39
• 第四章 氮摻雜多孔石墨烯薄膜的制備、表征及其超電容特性39-51
• 4.1 引言39-40
• 4.2 實驗部分40-49
• 4.2.1 氧化石墨的制備40
• 4.2.2 多孔氧化石墨（PGO）的制備過程40
• 4.2.3 多孔石墨烯薄膜（PGOF）的制備40
• 4.2.4 摻氮的多孔石墨烯薄膜（PGNF）的制備40
• 4.2.5 材料的結構和化學性能測試40-49
• 4.2.5.1 氮摻雜石墨烯薄膜材料的物性表征40-46
• 4.2.5.2 氮摻雜石墨烯薄膜材料的電化學特性46-49
• 4.3 本章小結49-51
• 第五章 水熱法氮磷共摻雜多孔石墨烯的制備、表征及其超電容特性51-64
• 5.1 引言51-52
• 5.2 實驗部分52-62
• 5.2.1 多孔的氧化石墨的制備52
• 5.2.2 氮磷共摻多孔石墨烯的制備過程52
• 5.2.3 材料的結構和電化學性能測試52-62
• 5.2.3.1 氮磷共摻多孔石墨烯納米材料的物性表征52-54
• 5.2.3.2 氮磷共摻多孔石墨烯納米材料的電化學特性54-62
• 5.2.3.2.1 單電極測試54-56
• 5.2.3.2.2 水系對稱電容器電化學性能測試56-60
• 5.2.3.2.3 有機系對稱電容器電化學性能測試60-62
• 5.4 本章小結62-64
• 第六章 總結與展望64-66
• 6.1 總結64
• 6.2 展望64-66
• 參考文獻66-74
• 致謝74-75
• 在學期間的研究成果及發(fā)表的學術論文75

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