【摘要】：目前,隨著太陽能、風(fēng)能、熱能等環(huán)境友好型可再生清潔能源的高速發(fā)展,研究和開發(fā)具有綠色環(huán)保、高能量密度和高功率密度特點(diǎn)的新型能量存儲裝置,已經(jīng)成為新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其中超級電容器和氫燃料電池具有傳統(tǒng)儲能器件不可比擬的優(yōu)點(diǎn),在近年來得到了廣泛的研究。面內(nèi)多孔石墨烯面內(nèi)的孔結(jié)構(gòu)在離子傳輸擴(kuò)散方面有著傳統(tǒng)石墨烯不可比擬的優(yōu)勢。本文探索了基于缺陷結(jié)構(gòu)石墨相材料制備面內(nèi)多孔石墨烯的化學(xué)合成方法,并對其作為超級電容器電極材料電化學(xué)儲能特性進(jìn)行了表征,同時研究了氮摻雜面內(nèi)多孔石墨烯負(fù)載鈷復(fù)合材料體系的電催化制氫特性,主要研究內(nèi)容如下:1.以高缺陷的微晶石墨或碳納米管作為前驅(qū)體,基于改進(jìn)Hummers法制備了多孔石墨烯氧化物。利用石墨相材料內(nèi)部豐富的sp3碳缺陷,通過少步氧化處理制備了具有面內(nèi)孔結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯。面內(nèi)孔結(jié)構(gòu)縮短了離子擴(kuò)散的路徑,有利于電解質(zhì)離子通過擴(kuò)散進(jìn)入到石墨烯的表面,有效地促進(jìn)電荷的傳輸,提高了電極活性。結(jié)果表明,在0.1A/g和100 A/g的充放電電流下其電容分別高達(dá)375F/g(439F/cm3)和196 F/g(229F/cm3)。此外以碳納米管為前驅(qū)體制備的多孔石墨烯可以實(shí)現(xiàn)對其面內(nèi)孔尺寸的調(diào)控,從而為研究多孔結(jié)構(gòu)對石墨烯電催化活性的影響提供了材料制備途徑。2.以具有不同尺寸面內(nèi)孔的多孔氧化石墨烯為前驅(qū)體,通過氮摻雜和鈷復(fù)合,研究了不同石墨烯孔尺寸對調(diào)控氮摻雜的影響,并測試了其負(fù)載鈷電催化制氫的性能。研究了此復(fù)合材料的制備方法,合成條件對元素?fù)诫s、化學(xué)鍵合形式、石墨烯表面分布形態(tài)的影響。通過石墨烯面內(nèi)結(jié)構(gòu)調(diào)控和過渡金屬復(fù)合以及氮摻雜石墨烯制備低金屬含量、高性能電催化制氫催化劑。其在0.5M H2SO4酸性體系表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性:Tafel斜率低至64mV dec-1,獲得10mA cm-2的電流密度所需的過電位僅為-203mV。
[Abstract]:At present, with the rapid development of environment-friendly renewable clean energy such as solar, wind and heat, new energy storage devices with green, high energy density and high power density are researched and developed. It has become a key link in the development of new energy industry. Supercapacitors and hydrogen fuel cells have been widely studied in recent years because of their incomparable advantages over conventional energy storage devices. In-plane porous graphene has incomparable advantages over traditional graphene in ion transport and diffusion. In this paper, the chemical synthesis method of in-plane porous graphene based on defect structure graphite phase material was investigated, and its electrochemical energy storage characteristics as electrode material of supercapacitor were characterized. At the same time, the electrocatalytic hydrogen production characteristics of nitrogen-doped porous graphene supported cobalt composite system were studied. The main research contents are as follows: 1. Porous graphene oxide was prepared by modified Hummers method using highly defective microcrystalline graphite ink or carbon nanotubes as precursors. Graphene oxide with in-plane pore structure was prepared by using sp3 carbon defects in graphite phase. The in-plane pore structure shortens the path of ion diffusion, which is beneficial to the diffusion of electrolyte ions to the surface of graphene, which can effectively promote the charge transfer and improve the electrode activity. The results show that at the charge / discharge current of 0.1A/g and 100A / g, the capacitance is as high as 375F/g (439F/cm3) and 196F / g (229F/cm3), respectively. In addition, porous graphene prepared with carbon nanotubes as precursor can regulate the in-plane pore size of graphene, which provides a way to study the effect of porous structure on the electrocatalytic activity of graphene. 2. Using porous graphene oxide with different in-plane pores as precursor, the effect of different graphene pore sizes on nitrogen doping was studied by nitrogen doping and cobalt compounding, and the performance of supported cobalt electrocatalysis for hydrogen production was tested. The preparation method of the composites and the effects of the synthesis conditions on the doping of elements, the form of chemical bonding and the surface distribution of graphene were studied. Low metal content and high performance electrocatalytic catalysts for hydrogen production were prepared by in-plane structure control of graphene, transition metal composite and nitrogen-doped graphene. It shows excellent catalytic activity in 0.5m H2SO4 acid system. The slope of 64mV dec-l is lower than that of 64mV dec-1, and the overpotential required to obtain the current density of 10mA cm-2 is only -203 MV.
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TQ127.11

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 ;石墨烯相變研究取得新進(jìn)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(jìn)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(jìn)展[J];現(xiàn)代物理知識;2009年04期

7 傅強(qiáng);包信和;;石墨烯的化學(xué)研究進(jìn)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(jìn)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(jìn)展[J];化學(xué)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí);;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(jī)石墨烯材料:計(jì)算與實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)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(jì)算機(jī)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(shí)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 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

2 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

3 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

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

5 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

6 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

7 姚成立;多級結(jié)構(gòu)石墨烯/無機(jī)非金屬復(fù)合材料的仿生合成及機(jī)理研究[D];安徽大學(xué);2015年

8 伊丁;石墨烯吸附與自旋極化的第一性原理研究[D];山東大學(xué);2015年

9 梁巍;基于石墨烯的氧還原電催化劑的理論計(jì)算研究[D];武漢大學(xué);2014年

10 王義;石墨烯的模板導(dǎo)向制備及在電化學(xué)儲能和腫瘤靶向診療方面的應(yīng)用[D];復(fù)旦大學(xué);2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 姜德剛;石墨烯材料的制備及其在超級電容器和溫敏型智能器件方面的應(yīng)用[D];青島大學(xué);2017年

2 張宜杰;多孔石墨烯的制備及其電化學(xué)性能的研究[D];中國地質(zhì)大學(xué);2017年

3 裴久陽;超聲輔助液相剝離制備石墨烯及其應(yīng)用研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2017年

4 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

5 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

6 苗偉;石墨烯制備及其缺陷研究[D];西北大學(xué);2011年

7 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

8 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

9 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

10 劉汝盟;石墨烯熱振動分析[D];南京航空航天大學(xué);2012年

，

本文編號：2144527