【摘要】：人類社會可持續(xù)發(fā)展對能源領(lǐng)域的電化學(xué)存儲器件提出了更高要求,如綠色、安全、高性能。目前,基于碳材料氧官能團法拉第贗電容和陰離子嵌入的研究,使用有機電解液的全石墨烯電化學(xué)儲能器件的可行性已被證實,但石墨烯電極電化學(xué)儲能性能仍有待提高。作為綠色溶劑的離子液體應(yīng)用在電化學(xué)儲能器件中,可提高安全性。然而離子液體與碳電極在界面處的離子吸附及法拉第反應(yīng),以及它們與電流-電極電位響應(yīng)的內(nèi)在聯(lián)系尚需深入研究。為此,本文一是研究石墨烯化學(xué)結(jié)構(gòu)的調(diào)控,以提升石墨烯氧官能團贗電容性能和陰離子嵌入的電化學(xué)性能;二是采用電化學(xué)掃描隧道顯微鏡(EC-STM)原位研究咪唑基離子液體/石墨界面。采用電化學(xué)氧化方法有效增加了還原氧化石墨烯(rGO)表面和體相中的氧官能團,氧官能團含量隨氧化電壓的升高而增加,使比容量從原始電極的170.4 m Ah g~(-1)(0.05 A g~(-1))提升到5.0 V(vs Li/Li+)電壓氧化后的290.5 m Ah g~(-1);適中電壓(如4.7 V)下的氧化可降低歐姆極化和電化學(xué)極化,使得石墨烯電極倍率性能顯著提高。rGO中的羥基在1.5~4.5 V電位區(qū)間內(nèi)為非贗電容活性。采用電化學(xué)還原方法可將羥基激活為碳氧雙鍵,比容量從原始電極的170.4 m Ah g~(-1)提高至346.1 m Ah g~(-1)(0.05 A g~(-1))。由于石墨烯在電化學(xué)還原過程中不會引入額外的缺陷,所以可以保持rGO電極的導(dǎo)電性;電化學(xué)還原過程中產(chǎn)生的SEI膜可以在高電位下自溶解,得到薄層界面反應(yīng)膜不至于過多降低rGO在1.5~4.5V電位區(qū)間內(nèi)的贗電容性能。這兩個方面都有利于獲得優(yōu)異的倍率性能,在50 A g~(-1)電流密度下的比容量達(dá)到41.4 m Ah g~(-1)。研究石墨烯材料作為碳正極在碳酸酯基電解液中的PF6-陰離子電化學(xué)脫嵌行為。發(fā)現(xiàn)少缺陷石墨烯材料與石墨材料在陰離子脫嵌行為上具有相似性,比容量為78.3 m Ah g~(-1)(0.05 A g~(-1))。利用氮源高溫?zé)崽幚硌趸┑姆椒ê铣闪说獡诫s石墨烯(NG)。與少缺陷石墨烯相比,石墨烯的氮摻雜可以適當(dāng)降低PF6-陰離子脫嵌電位平臺,并且提升比容量至121.8 m Ah g~(-1),能量密度從347.4 Wh kg~(-1)提高到了463.9 Wh kg~(-1)。利用X射線光電子能譜(XPS)和X射線吸收譜(XAS)揭示了NG陰離子嵌入貢獻法拉第電流的機制:PF6-嵌入NG后形成受主型類石墨插層化合物結(jié)構(gòu);法拉第電荷轉(zhuǎn)移過程來源于NG失去部分π軌道價電子(N 2p和C 2p電子)。利用密度泛函理論(DFT)計算離子液體中不同碳鏈長度的咪唑陽離子在石墨表面的吸附能。利用EC-STM研究了離子液體吸附層結(jié)合強弱,并觀察石墨/離子液體界面形貌。結(jié)果表明,隨著咪唑環(huán)上烷基鏈的增長,其范德華色散力所貢獻的吸附能逐漸增強;隨烷基碳鏈長度增長,咪唑陽離子吸附層結(jié)合力增強,電化學(xué)腐蝕受到抑制;C8MIm+在臺階處嵌入碳層,形成了穩(wěn)定的C8MIm/石墨嵌入化合物。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TQ127.11;O646
【圖文】：

源的利用是行之有效的能源解決方案。電化學(xué)儲能器件作為一種儲能裝置能源與環(huán)境領(lǐng)域扮演重要角色。它可存儲間歇性過量電能，并能夠在用峰期安全穩(wěn)定地給國家電網(wǎng)輸電（圖 1-1）；還可以廣泛地用于電動汽車發(fā)綠色、安全、高性能的電化學(xué)儲能器件迫在眉睫。明晰離子在電極材的存儲和傳輸機制是構(gòu)建新型、高性能電化學(xué)儲能器件的基石。

[3]（Carbon nanotube，CNT，圖 1-2（d））和石墨烯[4]（圖 1-2（e）在科學(xué)研究還是工程應(yīng)用上都掀起了對納米炭材料研究的新熱潮。年里還出現(xiàn)了其它類具有特殊化學(xué)鍵及結(jié)構(gòu)的新型碳材料，如石墨石墨烯材料是構(gòu)建其它類 sp2雜化炭材料的基本單元，其獨特的結(jié)使其具有較高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率、化學(xué)性能穩(wěn)定、機械強度高和特殊能。總的來看，除了絕緣性的金剛石外，其它各類碳材料在電化學(xué)一直發(fā)揮著重要作用。

-3 電容器示意圖：（a）傳統(tǒng)介電電容器，（b）對稱 EDLC 電容-3 Schematic illustration of (a) a conventional dielectric capacitor asymmetric EDLC capacitor[30]

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 ;石墨烯相變研究取得新進展[J];潤滑與密封;2009年05期

2 ;科學(xué)家首次用納米管制造出石墨烯帶[J];電子元件與材料;2009年06期

3 ;石墨烯研究取得系列進展[J];高科技與產(chǎn)業(yè)化;2009年06期

4 ;新材料石墨烯[J];材料工程;2009年08期

5 ;日本開發(fā)出在藍(lán)寶石底板上制備石墨烯的技術(shù)[J];硅酸鹽通報;2009年04期

6 馬圣乾;裴立振;康英杰;;石墨烯研究進展[J];現(xiàn)代物理知識;2009年04期

7 傅強;包信和;;石墨烯的化學(xué)研究進展[J];科學(xué)通報;2009年18期

8 ;納米中心石墨烯相變研究取得新進展[J];電子元件與材料;2009年10期

9 徐秀娟;秦金貴;李振;;石墨烯研究進展[J];化學(xué)進展;2009年12期

10 張偉娜;何偉;張新荔;;石墨烯的制備方法及其應(yīng)用特性[J];化工新型材料;2010年S1期

相關(guān)會議論文 前10條

1 成會明;;石墨烯的制備與應(yīng)用探索[A];中國力學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)大會'2009論文摘要集[C];2009年

2 錢文;郝瑞;侯仰龍;;液相剝離制備高質(zhì)量石墨烯及其功能化[A];中國化學(xué)會第27屆學(xué)術(shù)年會第04分會場摘要集[C];2010年

3 張甲;胡平安;王振龍;李樂;;石墨烯制備技術(shù)與應(yīng)用研究的最新進展[A];第七屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集（第3分冊）[C];2010年

4 趙東林;白利忠;謝衛(wèi)剛;沈曾民;;石墨烯的制備及其微波吸收性能研究[A];第七屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集（第7分冊）[C];2010年

5 沈志剛;李金芝;易敏;;射流空化方法制備石墨烯研究[A];顆粒學(xué)最新進展研討會——暨第十屆全國顆粒制備與處理研討會論文集[C];2011年

6 王冕;錢林茂;;石墨烯的微觀摩擦行為研究[A];2011年全國青年摩擦學(xué)與表面工程學(xué)術(shù)會議論文集[C];2011年

7 趙福剛;李維實;;樹枝狀結(jié)構(gòu)功能化石墨烯[A];2011年全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會論文摘要集[C];2011年

8 吳孝松;;碳化硅表面的外延石墨烯[A];2011中國材料研討會論文摘要集[C];2011年

9 周震;;后石墨烯和無機石墨烯材料:計算與實驗的結(jié)合[A];中國化學(xué)會第28屆學(xué)術(shù)年會第4分會場摘要集[C];2012年

10 周琳;周璐珊;李波;吳迪;彭海琳;劉忠范;;石墨烯光化學(xué)修飾及尺寸效應(yīng)研究[A];2011中國材料研討會論文摘要集[C];2011年

相關(guān)重要報紙文章 前10條

1 姚耀;石墨烯研究取得系列進展[N];中國化工報;2009年

2 劉霞;韓用石墨烯制造出柔性透明觸摸屏[N];科技日報;2010年

3 記者 王艷紅;“解密”石墨烯到底有多奇妙[N];新華每日電訊;2010年

4 本報記者 李好宇 張們捷(實習(xí)) 特約記者 李季;石墨烯未來應(yīng)用的十大猜想[N];電腦報;2010年

5 證券時報記者 向南;石墨烯貴過黃金15倍 生產(chǎn)不易炒作先行[N];證券時報;2010年

6 本報特約撰稿 吳康迪;石墨烯 何以結(jié)緣諾貝爾獎[N];計算機世界;2010年

7 記者 謝榮　通訊員 夏永祥 陳海泉 張光杰;石墨烯在泰實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[N];泰州日報;2010年

8 本報記者 紀(jì)愛玲;石墨烯：市場未啟 炒作先行[N];中國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)報;2011年

9 周科競;再說石墨烯的是與非[N];北京商報;2011年

10 王小龍;新型石墨烯材料薄如紙硬如鋼[N];科技日報;2011年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 王慧鑫;有機電解液中電化學(xué)儲能碳材料的法拉第反應(yīng)行為研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

2 周攀;氮摻雜石墨烯及其復(fù)合材料相關(guān)性能的研究[D];北京交通大學(xué);2017年

3 劉英軍;高性能石墨烯纖維[D];浙江大學(xué);2017年

4 苗卿華;石墨烯高溫自蔓延合成及鐵磁性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

5 呂敏;雙層石墨烯的電和磁響應(yīng)[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

6 羅大超;化學(xué)修飾石墨烯的分離與評價[D];北京化工大學(xué);2011年

7 唐秀之;氧化石墨烯表面功能化修飾[D];北京化工大學(xué);2012年

8 王崇;石墨烯中缺陷修復(fù)機理的理論研究[D];吉林大學(xué);2013年

9 盛凱旋;石墨烯組裝體的制備及其電化學(xué)應(yīng)用研究[D];清華大學(xué);2013年

10 姜麗麗;石墨烯及其復(fù)合薄膜在電極材料中的研究[D];西南交通大學(xué);2015年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 尚振明;硫化鋅石墨烯復(fù)合納米材料的合成與在鋰離子電池中的應(yīng)用[D];浙江大學(xué);2017年

2 張小玉;鈷基金屬氧化物—還原氧化石墨烯復(fù)合材料的制備、表征及性能研究[D];鄭州大學(xué);2017年

3 詹曉偉;碳化硅外延石墨烯以及分子動力學(xué)模擬研究[D];西安電子科技大學(xué);2011年

4 王晨;石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)及其對電化學(xué)性能的影響[D];北京化工大學(xué);2011年

5 苗偉;石墨烯制備及其缺陷研究[D];西北大學(xué);2011年

6 蔡宇凱;一種新型結(jié)構(gòu)的石墨烯納米器件的研究[D];南京郵電大學(xué);2012年

7 金麗玲;功能化石墨烯的酶學(xué)效應(yīng)研究[D];蘇州大學(xué);2012年

8 黃凌燕;石墨烯拉伸性能與尺度效應(yīng)的研究[D];華南理工大學(xué);2012年

9 劉汝盟;石墨烯熱振動分析[D];南京航空航天大學(xué);2012年

10 雷軍;碳化硅上石墨烯的制備與表征[D];西安電子科技大學(xué);2012年

本文編號：2752266