本文關(guān)鍵詞：三維石墨烯基多孔復(fù)合材料的制備及其電化學(xué)性能研究

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【摘要】：石墨烯因具有超高的比表面積、導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性,被認(rèn)為是新一代的碳材料,在光電、能源、生物和環(huán)境等領(lǐng)域有著誘人的應(yīng)用前景。但是由于石墨烯片之間的π-π堆疊嚴(yán)重,單層的石墨烯很難獨(dú)立存在,這極大程度地限制其實(shí)際應(yīng)用。因此,以石墨烯片層為構(gòu)筑單元,制備具有三維骨架塊體材料如石墨烯紙、氣凝膠、泡沫等,不但可以有效避免石墨烯片之間的堆疊和團(tuán)聚,而且能夠?yàn)檩d流子傳輸提供高度互穿的三維孔道。這種相互交聯(lián)的大孔結(jié)構(gòu)將有利于其在能源存儲器件中的應(yīng)用。本論文以氧化石墨烯作為原料,采用水熱自組裝或高溫聚合的方法制備具有三維大孔結(jié)構(gòu)的石墨烯基多孔復(fù)合材料,考察了多孔復(fù)合材料在超級電容器和鋰離子電池負(fù)極材料方面的性能。論文主要內(nèi)容如下：(1)以三維石墨烯氣凝膠基氮摻雜多孔碳作為電極材料,研究作為超級電容器電極材料的電化學(xué)性能。這項(xiàng)研究中,三維石墨烯氣凝膠—氧化石墨烯通過水熱還原反應(yīng),脫去部分含氧官能團(tuán),在石墨烯π-π作用力下自組裝成三維石墨烯氣凝膠(GA)。我們利用GA為模板,通過與間苯二胺在催化劑的作用下高溫聚合反應(yīng),得到在三維石墨烯基多孔碳復(fù)合材料。該復(fù)合材料不僅保持了三維大孔結(jié)構(gòu),并且具有高含氮量和高比表面積：通過三電極體系電化學(xué)性能測試發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料在0.1Ag-1的電流密度下具有608.3F g-1的高比電容量,并且在5Ag-1下循環(huán)10000圈之后仍保持100%的比電容量,具有極高的穩(wěn)定性。同時(shí),為了實(shí)現(xiàn)該復(fù)合材料在柔性儲能器件上的應(yīng)用以及提高儲能器件的能量密度(E),我們將其組裝成柔固態(tài)對稱的超級電容器,在0.2 Ag-1下具有138 Fg-1比電容量,在5 Ag-1的電流密度下循環(huán)10000圈充放電后仍能保留92%的比電容量。柔性固態(tài)超級電容器不僅表現(xiàn)出高的能量密度(12.4 Wh K g-1)而且還具有超高的功率密度 (2432 W Kg-1)。(2)采用預(yù)先生長氫氧化鈷納米顆粒的氧化石墨烯二維片作為構(gòu)筑單元,通過水熱組裝的方式得到了具有三維大孔結(jié)構(gòu)的四氧化三鈷／石墨烯復(fù)合材料(Co3O4/GFs)。作為鋰離子電池負(fù)極材料,其中Co3O4/GF-3復(fù)合材料在0.1 Ag-1的電流密度充放下,循環(huán)100圈之后容量還穩(wěn)定在1148mAhg-1。在大電流5Ag-1的充放下,容量還有600 mAhg-1。這些優(yōu)異的電化學(xué)性能得益于該材料具有較大比表面積的多級孔的三維石墨烯結(jié)構(gòu),C0304納米顆粒可以均勻分散在石墨烯骨架表面上,緩解C0304的體積膨脹效應(yīng),并且三維大孔結(jié)構(gòu)的石墨烯不但可以有效改善自身的π-π堆疊效應(yīng),而且同時(shí)可以使C0304納米顆粒與電解質(zhì)充分接觸,更有利于鋰離子和電子的傳輸。
【關(guān)鍵詞】：三維石墨烯氣凝膠 多孔碳材料 超級電容器 鋰離子電池
【學(xué)位授予單位】：上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11;O646
【目錄】：

• 摘要5-7
• abstract7-11
• 第1章 緒論11-25
• 1.1 石墨烯概述11-15
• 1.1.1 石墨烯結(jié)構(gòu)11
• 1.1.2 石墨烯性質(zhì)11-12
• 1.1.3 石墨烯制備12-15
• 1.2 三維石墨烯基多孔復(fù)合材料概述15-16
• 1.3 三維石墨烯基多孔復(fù)合材料的電化學(xué)性能應(yīng)用16-23
• 1.3.1 超級電容器16-17
• 1.3.2 三維石墨烯基多孔復(fù)合材料在超級電容器方面的應(yīng)用研究17-19
• 1.3.3 鋰離子電池19-21
• 1.3.4 三維石墨烯基多孔復(fù)合材料在鋰電方面的應(yīng)用21-23
• 1.4 論文主要研究內(nèi)容23-25
• 第2章 NPC-GAs復(fù)合材料的制備及其電化學(xué)性能研究25-45
• 2.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器25-26
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)試劑25-26
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器26
• 2.2 NPC-GAs復(fù)合材料的制備26-29
• 2.2.1 氧化石墨烯的制備26-27
• 2.2.2 石墨烯氣凝膠(GAs)的制備27-28
• 2.2.3 NPC-GAs復(fù)合材料復(fù)合材料的制備28-29
• 2.3 不同電極材料的制備和電容器的組裝及測試29-31
• 2.3.1 三電極電容器電極材料的制備和組裝及測試29
• 2.3.2 兩電極全固態(tài)柔性電容器電極材料的制備和組裝及測試29-31
• 2.4 結(jié)果與討論31-43
• 2.4.1 GO的結(jié)構(gòu)表征31-33
• 2.4.2 GA微觀結(jié)構(gòu)形貌表征33-34
• 2.4.3 NPC-GAs復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表征34-37
• 2.4.4 GA和NPC-GAs復(fù)合材料的三電極電容器電化學(xué)性能測試及分析37-41
• 2.4.5 NPC-GA-2復(fù)合材料的柔性全固態(tài)超級電容器電化學(xué)性能測試及分析41-43
• 2.5 本章小結(jié)43-45
• 第3章 三維大孔結(jié)構(gòu)四氧化三鈷/石墨烯復(fù)合材料制備及電化學(xué)性能研究45-56
• 3.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器45-46
• 3.1.1 實(shí)驗(yàn)試劑45
• 3.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器45-46
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分46-54
• 3.2.1 Co_3O_4/GFs復(fù)合材料的制備46-47
• 3.2.2 Co_3O_4/GFs復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征47-51
• 3.2.3 Co_3O_4/GFs復(fù)合材料的電化學(xué)性能表征51-54
• 3.3 本章小結(jié)54-56
• 第4章 結(jié)論與展望56-58
• 4.1 結(jié)論56-57
• 4.2 展望57-58
• 參考文獻(xiàn)58-67
• 致謝67-69
• 攻讀學(xué)位期間所開展的科研項(xiàng)目和發(fā)表的學(xué)術(shù)論文69

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本文編號：620971