本文關(guān)鍵詞：用于電化學(xué)儲(chǔ)能的碳基納米復(fù)合材料研究

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【摘要】：為應(yīng)對(duì)能源需求的快速增長(zhǎng),鋰離子電池、鋰硫電池、鈉離子電池以及超級(jí)電容器等電化學(xué)儲(chǔ)能體系是目前研究的熱點(diǎn)。為了發(fā)展高性能的電化學(xué)儲(chǔ)能體系,科學(xué)家們?cè)陔姌O材料的研究方面做了巨大的努力。依賴于不同的尺寸和表面形態(tài),碳納米材料在形貌、導(dǎo)電性、光學(xué)及機(jī)械性能方面具有很多獨(dú)特的性質(zhì)。因此,碳納米材料和碳納米復(fù)合材料在高效電化學(xué)儲(chǔ)能器件的發(fā)展中開(kāi)創(chuàng)一個(gè)新的領(lǐng)域。本論文中,以廉價(jià)的氧化石墨和木質(zhì)纖維素作為原材料,制備了不同結(jié)構(gòu)的三維多孔碳材料,進(jìn)一步利用多孔碳為載體制備了一系列碳基納米復(fù)合材料,并對(duì)復(fù)合材料的電化學(xué)儲(chǔ)能特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。氧化石墨具有成本低、可大規(guī)模及易于工業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)。因此,以氧化石墨為原料制備石墨烯是目前石墨烯領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。纖維素是地球上儲(chǔ)量最豐富的高分子材料,其綠色、可再生,是理想的碳材料前驅(qū)物。因此,氧化石墨和木質(zhì)纖維素是制備碳基復(fù)合材料的理想原料。論文的具體研究?jī)?nèi)容包括：1)木質(zhì)纖維素紙基非對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器。以木質(zhì)纖維素為原料制作的纖維素紙?zhí)蓟玫教蓟w維素紙。碳化纖維素紙保留了纖維素紙的結(jié)構(gòu),并且由于原纖維素的固有結(jié)構(gòu)和碳化分解作用,使其具有多孔結(jié)構(gòu)和比較高的比表面積(510m2g-1)。將其用作自支撐的超級(jí)電容器電極,在20 mV s-1的掃描速度時(shí),比電容為84.5 F g-1。碳化纖維素還是很好的載體材料,具有柔韌性。為擴(kuò)大其電化學(xué)窗口,增加能量密度,采用電化學(xué)沉積的方法,將納米氧化錳負(fù)載到碳化纖維素紙?zhí)祭w維的表面,制備得到碳化纖維素／二氧化錳復(fù)合材料。以碳化纖維素紙為負(fù)極,碳化纖維素／二氧化錳復(fù)合材料為正極,得到了低成本非對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器。其電壓范圍擴(kuò)大到1.6 V,并且具有10.59 Wh kg-1的高能量密度。2)介孔氧化鐵/熱剝離石墨烯復(fù)合材料(MIO/GNS)的制備及性能研究。以氧化石墨為原料,采用高溫快速還原的方法制備熱剝離石墨烯。熱剝離石墨烯由多層石墨烯組成,具有很高的比表面積,并在微米尺度形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。使用溶液揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝的方法,將介孔氧化鐵納米膜直接負(fù)載到熱剝離石墨烯納米片層,制備得到介孔氧化鐵/熱剝離石墨烯復(fù)合材料。石墨烯片層與介孔氧化鐵通過(guò)共價(jià)鍵緊緊結(jié)合,從而將氧化鐵束縛在石墨烯三維網(wǎng)絡(luò)內(nèi),有效地緩解氧化鐵充放電過(guò)程中體積變化產(chǎn)生的縱向應(yīng)力；另一方面,介孔氧化鐵中的介孔還能為氧化鐵充放電過(guò)程中體積變化提供空間,緩解其橫向應(yīng)力。兩個(gè)方面的應(yīng)力緩解可以防止充放電過(guò)程中電極材料的粉碎問(wèn)題,提高復(fù)合材料的電化學(xué)性能。將氧化鐵介孔氧化鐵/熱剝離石墨烯復(fù)合材料用作鋰離子電池負(fù)極時(shí),在1000 mAg-1的電流密度下循環(huán)400圈無(wú)容量衰減。在100 mA g-1的電流密度下,比容量可以達(dá)到1000 mAh g-1。將復(fù)合材料作鈉離子電池負(fù)極時(shí),首圈的放電和充電比容量分別為1103 mAh g-1和535 mAh g-1,經(jīng)過(guò)200次循環(huán)之后,其容量仍然可以保持在400 mAh g-1,沒(méi)有明顯的容量衰減。3)石墨烯氣凝膠/硫復(fù)合材料(GA/S)的制備及性能研究。以氧化石墨為原料,采用水熱反應(yīng)和超臨界二氧化碳干燥的方法制備了三維多孔石墨烯氣凝膠。分別采用溶液揮發(fā)誘導(dǎo)和蒸氣負(fù)載的方法將硫負(fù)載到石墨烯氣凝膠碳骨架內(nèi),制備得到石墨烯氣凝膠/硫復(fù)合材料。石墨烯氣凝膠的高比表面積及表面的含氧基團(tuán)有利于硫的大比例負(fù)載,緩解硫的體積形變應(yīng)力,吸附多硫化物并緩解其在電解液中的溶解。三維石墨烯氣凝膠中由石墨烯片層堆積形成的孔道也能有效抑制多硫化物的溶解,從而提高復(fù)合材料的鋰硫電池性能。溶液揮發(fā)誘導(dǎo)方法制備的復(fù)合材料作硫正極測(cè)試時(shí),在200 mA g-1電流密度下,首圈容量為1260 mAh g-11,經(jīng)過(guò)100個(gè)循環(huán),容量仍然能保持到840 mAh g-1.將復(fù)合材料直接作自支撐電極,同樣展現(xiàn)了優(yōu)異的電化學(xué)性能。在電流密度為200 mA g-1時(shí),比容量為1257 mAh g-1,經(jīng)過(guò)100次的循環(huán),比容量仍然高達(dá) 848 mAh g-1,只有32%的衰減。蒸汽法制備的復(fù)合材料作硫正極測(cè)試時(shí),首次放電容量為1476.3 mAh g-1,經(jīng)過(guò)50個(gè)循環(huán)的充放電之后的容量仍然有872.2 mAh g-1。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TB33;TM53;TM912

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1 唐偉家;導(dǎo)電納米復(fù)合材料[J];合成材料老化與應(yīng)用;2001年02期

2 李興田;聚酰胺6納米復(fù)合材料的新進(jìn)展[J];化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù);2001年02期

3 李淑玉;導(dǎo)電納米復(fù)合材料[J];建材工業(yè)信息;2001年10期

4 ;可溶性納米復(fù)合材料[J];技術(shù)與市場(chǎng);2001年04期

5 錢(qián)紅梅,郝成偉;粘土/有機(jī)納米復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J];皖西學(xué)院學(xué)報(bào);2002年02期

6 王珂,朱湛,郭炳南;聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯/蛭石納米復(fù)合材料的制備[J];應(yīng)用化學(xué);2003年07期

7 鐘厲,韓西;納米復(fù)合材料的研究應(yīng)用[J];重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào);2003年03期

8 金延;納米復(fù)合材料及應(yīng)用[J];金屬功能材料;2004年06期

9 ;美國(guó)納米復(fù)合材料需求將增長(zhǎng)[J];橡塑技術(shù)與裝備;2008年03期

10 趙中堅(jiān);王強(qiáng)華;;汽車(chē)中的納米復(fù)合材料:研究活動(dòng)及商業(yè)現(xiàn)狀[J];玻璃鋼;2008年01期

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1 肖紅梅;楊洋;李元慶;鄭斌;付紹云;;功能納米復(fù)合材料研究進(jìn)展[A];第十五屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上冊(cè)）[C];2008年

2 葛嶺梅;周安寧;李天良;曲建林;;礦物納米復(fù)合材料的研究進(jìn)展[A];新世紀(jì) 新機(jī)遇 新挑戰(zhàn)——知識(shí)創(chuàng)新和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展（上冊(cè)）[C];2001年

3 馬永梅;;塑料/膨潤(rùn)土納米復(fù)合材料市場(chǎng)應(yīng)用[A];2003年中國(guó)納微粉體制備與技術(shù)應(yīng)用研討會(huì)論文集[C];2003年

4 陳潔;徐曉楠;楊玲;;納米復(fù)合材料的阻燃研究[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第二十五屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集（下冊(cè)）[C];2006年

5 趙海波;徐波;王俊勝;王玉忠;;主鏈含磷阻燃共聚酯/硫酸鋇納米復(fù)合材料的研究[A];2009年中國(guó)阻燃學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2009年

6 張忠;;多級(jí)次多尺度納米復(fù)合材料力學(xué)性能研究[A];2010年第四屆微納米海峽兩岸科技暨納微米系統(tǒng)與加工制備中的力學(xué)問(wèn)題研討會(huì)摘要集[C];2010年

7 盧小泉;;基于納米復(fù)合材料的電化學(xué)生物傳感器[A];第六屆海峽兩岸分析化學(xué)會(huì)議摘要論文集[C];2010年

8 周安寧;楊伏生;曲建林;李天良;葛嶺梅;;礦物納米復(fù)合材料研究進(jìn)展[A];納米材料和技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展——全國(guó)第二屆納米材料和技術(shù)應(yīng)用會(huì)議論文集（下卷）[C];2001年

9 上官文峰;;納米復(fù)合材料的構(gòu)筑及其光催化性能[A];納微粉體制備與應(yīng)用進(jìn)展——2002年納微粉體制備與技術(shù)應(yīng)用研討會(huì)論文集[C];2002年

10 林鴻福;;加速聚合物/粘土納米復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程[A];浙江省科協(xié)學(xué)術(shù)研究報(bào)告——浙江優(yōu)勢(shì)非金屬礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用研究論文集[C];2004年

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1 宋玉春;納米復(fù)合材料能否風(fēng)行？[N];中國(guó)石化報(bào);2005年

2 李聞芝;納米復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化研討會(huì)將開(kāi)[N];中國(guó)化工報(bào);2004年

3 李偉;汽車(chē)用上納米復(fù)合材料部件[N];中國(guó)化工報(bào);2004年

4 渤海投資 周延;武漢塑料 突破60日均線壓制[N];證券時(shí)報(bào);2004年

5 唐偉家 吳汾 李茂彥;尼龍納米復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)[N];中國(guó)包裝報(bào);2008年

6 華凌;納米復(fù)合材料提升自充電池性能[N];中國(guó)化工報(bào);2014年

7 塑化;聚合物系納米復(fù)合材料發(fā)展前景廣闊[N];國(guó)際商報(bào);2003年

8 唐偉家 吳汾 李茂彥;尼龍納米復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)和包裝應(yīng)用[N];中國(guó)包裝報(bào);2008年

9 本報(bào)記者 王海霞;納米復(fù)合材料將廣泛應(yīng)用到新能源領(lǐng)域[N];中國(guó)能源報(bào);2009年

10 劉霞;高效存儲(chǔ)氫的納米復(fù)合材料研制成功[N];科技日?qǐng)?bào);2011年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 李念武;鋰硫二次電池用碳基含硫正極材料的研究[D];南京航空航天大學(xué);2013年

2 夏雷;尼龍6及其納米復(fù)合材料的熱氧穩(wěn)定性研究[D];浙江大學(xué);2013年

3 杜青青;高效熒光碳點(diǎn)合成及其功能復(fù)合材料研究[D];山東大學(xué);2015年

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5 李蘇原;SnO_2/C納米復(fù)合材料的制備及其儲(chǔ)鋰性能研究[D];蘭州大學(xué);2015年

6 郭改萍;環(huán)境友好大豆蛋白質(zhì)材料改性研究[D];北京化工大學(xué);2015年

7 孫遜;新型介孔無(wú)機(jī)物/聚苯胺納米復(fù)合材料的制備及其性能研究[D];蘭州大學(xué);2012年

8 卜小海;螺旋聚炔基納米復(fù)合材料的制備及其紅外輻射性能研究[D];東南大學(xué);2015年

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1 易華玉;納米復(fù)合材料和酶放大構(gòu)建凝血酶電化學(xué)適體傳感器的研究[D];西南大學(xué);2015年

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3 王超;PVC納米復(fù)合材料的制備及其性能研究[D];河北大學(xué);2015年

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5 杜青;鋯基納米復(fù)合材料深度凈化水體中的微量重金屬[D];燕山大學(xué);2015年

6 王正奇;硫化鋅納米復(fù)合材料的制備、表征及性質(zhì)研究[D];陜西科技大學(xué);2015年

7 明洪濤;TiO_2/Au核殼納米復(fù)合材料的制備及其光學(xué)性質(zhì)研究[D];東北師范大學(xué);2015年

8 趙元旭;多壁碳納米管/聚碳酸酯復(fù)合材料的制備與性能研究[D];鄭州大學(xué);2015年

9 孫藝銘;金/碳納米復(fù)合材料生物傳感器檢測(cè)多藥耐藥基因MDR1及其表達(dá)蛋白ABCB1的實(shí)驗(yàn)研究[D];福建醫(yī)科大學(xué);2015年

10 陳亞;基于碳納米復(fù)合材料及β-環(huán)糊精對(duì)手性小分子識(shí)別研究[D];西南大學(xué);2015年

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