【摘要】：超級電容器和燃料電池是能源儲存與轉(zhuǎn)換中的關(guān)鍵器件。由于優(yōu)異的物化性質(zhì)和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)石墨烯被認(rèn)為是一種完美的儲能材料。而多孔碳因其高的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)亦被當(dāng)做載體或直接應(yīng)用在儲能領(lǐng)域。對于儲能材料來說,比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)、表面官能團(tuán)和導(dǎo)電性是影響其性能的四大因素。從以上幾點(diǎn)出發(fā),本文以石墨烯和半胱氨酸為原料,利用半胱氨酸的還原性和同時含有氮硫元素的特點(diǎn)制備了系列功能化石墨烯和半胱氨酸衍生碳材料并將其用作超級電容器電極材料和氧還原反應(yīng)催化劑。同時探討了制備條件對材料形貌、結(jié)構(gòu)與組成,繼而對材料超電和氧還原催化性能的影響。具體研究內(nèi)容如下:1.借助L-半胱氨酸(L-Cys)的還原性,在95℃下使其與氧化石墨烯(GO)片層上含氧基團(tuán)發(fā)生氧化還原反應(yīng)從而使GO還原自組裝成三維石墨烯水凝膠。由于直接對水凝膠冷凍干燥會產(chǎn)生大量的大孔,這會使材料的密度急劇降低,從而造成材料低的體積比容量。因此我們通過先機(jī)械壓縮再冷凍干燥的方法來消除大孔結(jié)構(gòu)從而獲得了厚度為20μm左右具有微介孔結(jié)構(gòu)的高密度rGO氣凝膠。反應(yīng)8小時獲得的樣品堆積密度達(dá)到1.44 g cm~(-3),約為石墨材料理論密度的65%,在堿性溶液中0.5 A g~(-1)電流密度下體積比容量達(dá)到293.6 F cm~(-3)。不僅如此,該材料在30萬次充放電循環(huán)后容量沒有衰減,展現(xiàn)出超長的循環(huán)壽命。2.直接以半胱氨酸作為碳、氮、硫源,同時以NaCl和KOH作為硬模板劑和活化劑,原位摻雜制備了高比表面積的氮硫共摻雜分級多孔碳。通過調(diào)控制備條件,當(dāng)m_(NaCl):m_(Cys)比例為1:20、m_(KOH):m _(L-Cys)為1:1、碳化溫度為700℃時獲得的樣品具有最佳的電容性能和氧還原催化(ORR)活性。在堿性溶液中,該材料表現(xiàn)出較高的比電容值(0.5A g~(-1)電流密度下比電容為363.1 F g~(-1))、較好的倍率性能(電流密度為100 A g~(-1)時比電容仍達(dá)到201.2 F g~(-1))和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性(10000次循環(huán)充放電,電容保持率為97.8%)。此外,在ORR測試中,該材料具有更正的起始電位(0.94V vs RHE)和較大的極限擴(kuò)散電流密度(5.05 mA cm~(-2)在0V vs RHE)。材料優(yōu)異的電化學(xué)性能得益于樣品高的比表面積(1551.66 m~2g~(-1))、獨(dú)特的分級孔結(jié)構(gòu)和豐富的表面氮、硫和氧元素,這些因素為離子的快速傳輸、電子的傳導(dǎo)以及材料活性位點(diǎn)的增加起到促進(jìn)作用。3.為了提高獲得的多孔碳的氧還原催化活性,在第二部分工作的基礎(chǔ)上,我們通過加入GO來提高材料的導(dǎo)電性,制得了碳碳復(fù)合材料。通過調(diào)控GO的加入比例,發(fā)現(xiàn)當(dāng)m_(L-Cys):m _(GO)為20時,獲得的樣品NS-G@CNS-20具有最好的氧還原催化活性。與不加GO相比,其電導(dǎo)率提高了一個數(shù)量級(從0.29到5.01 S/m)。ORR測試結(jié)果表明,該材料展現(xiàn)了更正的起始電位(0.998V vs RHE),與不加GO相比,起始電位右移了0.058V,更加接近于商用Pt/C(1.05 V vs RHE)。此外,與其他樣品相比,NS-G@CNS-20還具有更正的半波電位(0.77 V)和最大的極限擴(kuò)散電流密度(6.01 mA cm~(-2)在0V vs RHE),證實(shí)了提高催化劑導(dǎo)電性對材料催化性能的促進(jìn)作用。
【圖文】：

新疆大學(xué) 2018 屆碩士學(xué)位論文第一章 緒論環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展的需求不斷增加，化石燃料燃燒引發(fā)境污染問題已經(jīng)迫在眉睫。因此，為了能夠?qū)崿F(xiàn)從依賴化石變，全世界的科研人員都已經(jīng)把眼光聚焦在太陽能、風(fēng)能研究上。隨著這些可再生能源的大量推廣與應(yīng)用，它們產(chǎn)生大的挑戰(zhàn)。目前，超級電容器和燃料電池在滿足日益增長的鍵的作用[1]。

圖 1-2 零維至三維的碳材料示意圖Figure 1-2 Diagram of carbon materials from 0D to 3D1 石墨烯的制備墨中，，相鄰的石墨烯片層之間由于強(qiáng)烈的 π-π 共軛作用而緊密的堆積起來石墨烯片層的獲得變得異常困難。因此，大規(guī)模、低成本的制備結(jié)構(gòu)完整石墨烯是目前該領(lǐng)域的科研工作者努力突破的方向。到目前為止，關(guān)于石
【學(xué)位授予單位】：新疆大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ127.11

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本文編號：2617010