本文關(guān)鍵詞：石墨烯納米材料的活化、摻雜及其超電容性能的研究

  更多相關(guān)文章： 氧化石墨 薄膜 活化 能量密度 超級(jí)電容器

【摘要】：便攜式超級(jí)電容器具有能量和功率密度大、體積小、柔韌性好、電位窗口寬、無(wú)電解液漏泄(安全)和易于加工等優(yōu)點(diǎn),在可穿著的柔性電子產(chǎn)品上具有重要的應(yīng)用前景,因而受到了廣泛的關(guān)注。其中,電極材料的選擇對(duì)于超級(jí)電容器的輕薄和柔性化最為關(guān)鍵。作為平面超級(jí)電容器電極材料的二維材料需擁有良好的機(jī)械性能,可以任意地卷曲、折疊,而且不會(huì)造成電極材料結(jié)構(gòu)的坍塌和超級(jí)電容器明顯的性能損失等特點(diǎn)。由于石墨烯具有超大的理論比表面積,以及良好的電子導(dǎo)電性和優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度等突出優(yōu)點(diǎn),已有被用于超級(jí)電容器的報(bào)道。但是石墨烯片層間的范德華引力使其片層之間嚴(yán)重堆積,不利于電解液離子的傳輸,并且石墨烯片層間的堆積會(huì)導(dǎo)致石墨烯的實(shí)際比表面積利用率變小,從而導(dǎo)致石墨烯的電化學(xué)性能降低。因此為了提高石墨烯薄膜的應(yīng)用價(jià)值,研究者對(duì)氧化石墨進(jìn)行活化處理。經(jīng)過(guò)活化處理的氧化石墨表面被引入大量含氧官能團(tuán),這些官能團(tuán)一方面可以削弱石墨烯片層間的范德華力來(lái)阻止片層的堆積,為電解液離子傳輸提供通暢的通道;另一方面也可以為后續(xù)的化學(xué)改性提供活化位點(diǎn),有效改變其電化學(xué)性能。因此,本文用不同的活化劑對(duì)氧化石墨薄膜以及氧化石墨溶液進(jìn)行活化,然后進(jìn)行雜原子的摻雜,并進(jìn)一步研究其電化學(xué)性能。該試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單快捷,有工業(yè)應(yīng)用前景。具體研究?jī)?nèi)容如下:1、以氧化石墨薄膜為基底材料,用HF作為活化劑在氧化石墨表面引入大量含氧官能團(tuán),然后用氨水作為摻氮?jiǎng)┖瓦�原劑制備摻氮的石墨烯薄膜材料。HF具有極強(qiáng)的腐蝕性,用HF作為活化劑,可以在氧化石墨表面引入大量孔結(jié)構(gòu),增加電解液離子傳輸?shù)耐瑫r(shí)保證了氧化石墨薄膜的膜狀結(jié)構(gòu)。另外,通過(guò)活化在氧化石墨表面引入大量的含氧官能團(tuán),為氮元素的摻雜提供活性位點(diǎn)。通過(guò)氮元素的摻雜,一方面可以提高電極材料與電解液的浸潤(rùn)性,提高電化學(xué)反應(yīng)的效率;另一方面可以提供贗電容性能,從而提高材料的電化學(xué)性能。所制得的復(fù)合材料通過(guò)電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明:在1 A g-1的電流密度下,其比容量可達(dá)到282 F g-1高于沒(méi)有活化處理的石墨烯薄膜的電容值245 F g-1。在10 A g-1的電流密度下,其比容量仍可保持在177 F g-1。在1 A g-1電流密度下,該復(fù)合材料經(jīng)過(guò)10000次充放電測(cè)試后,比容量保持率為87%。2、強(qiáng)氧化劑高錳酸鉀作為活化劑對(duì)氧化石墨溶液進(jìn)行活化處理,然后采用真空抽濾得到多孔氧化石墨薄膜,氨水作為摻雜劑和還原劑來(lái)實(shí)現(xiàn)氮元素的摻雜。氧化石墨片層間由于含氧官能團(tuán)同種電荷相互排斥的作用阻礙了片層堆積,隨后的水熱作用摻入氮元素,并且利用水分子插層進(jìn)一步增大石墨烯片層間的距離,為電解液離子的傳輸提供了三維孔道結(jié)構(gòu)。在電流密度為1 A g-1時(shí)的比容量分別為313 F g-1,而沒(méi)有活化處理的石墨烯薄膜的比容量則為270 F g-1。當(dāng)電流密度增大到10 A g-1的時(shí)候樣品的比電容依然可以保持在183 F g-1,電容保持率為58%。3、以高錳酸鉀活化處理得到的多孔氧化石墨溶液為基底材料,通過(guò)水熱法實(shí)現(xiàn)氮元素和磷元素的共同摻雜,氮元素的摻雜一方面可以增加電極材料與電解液的浸潤(rùn)性,另一方面可以提供贗電容。磷元素的摻雜可以通過(guò)形成C-P鍵取代不可逆C-O鍵來(lái)拓寬電極材料電位窗口。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明在水系電解液下電位窗口可以增加到1.5 V,能量密度高達(dá)12.1 Wh kg-1。在有機(jī)體系下測(cè)試電化學(xué)性能,結(jié)果表明,材料的能量密度可以高達(dá)67.8 Wh kg-1。在1 A g-1電流密度下,該復(fù)合材料經(jīng)過(guò)5000次充放電測(cè)試后,比容量保持率為98%。
【關(guān)鍵詞】：氧化石墨 薄膜 活化 能量密度 超級(jí)電容器
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O613.71;TM53
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 緒論13-26
• 1.1 引言13
• 1.2 超級(jí)電容器簡(jiǎn)介13-17
• 1.2.1 超級(jí)電容器的定義13
• 1.2.2 超級(jí)電容器的特點(diǎn)13-14
• 1.2.3 超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)14-16
• 1.2.3.1 電極14
• 1.2.3.2 電解液14-15
• 1.2.3.3 隔膜15-16
• 1.2.3.4 集流體16
• 1.2.4 超級(jí)電容器的工作原理16-17
• 1.2.4.1 雙電層電容器的工作原理16-17
• 1.2.4.2 法拉第準(zhǔn)電容器的工作原理17
• 1.2.4.3 混合電容器的工作原理17
• 1.3 碳基雙電層電容器電極材料的研究進(jìn)展17-22
• 1.3.1 活性炭17-18
• 1.3.2 模板炭18
• 1.3.3 碳納米管18-19
• 1.3.4 石墨烯19-22
• 1.3.4.1 石墨烯的結(jié)構(gòu)20
• 1.3.4.2 石墨烯的合成20-22
• 1.4 碳材料微觀結(jié)構(gòu)對(duì)電容性能的影響22-24
• 1.4.1 比表面積22-23
• 1.4.2 孔徑分布23
• 1.4.3 表面官能團(tuán)23
• 1.4.4 晶體結(jié)構(gòu)23-24
• 1.4.5 導(dǎo)電性24
• 1.4.6 潤(rùn)濕性24
• 1.5 本課題的研究思路及主要研究?jī)?nèi)容24-26
• 第二章 實(shí)驗(yàn)技術(shù)、材料表征及電化學(xué)測(cè)試技術(shù)26-29
• 2.1 實(shí)驗(yàn)所用儀器26
• 2.2 實(shí)驗(yàn)所用試劑26
• 2.3 電極材料的結(jié)構(gòu)表征26-28
• 2.3.1 X射線光電子譜（XPS）27
• 2.3.2 接觸角測(cè)試27
• 2.3.3 傅里葉變換紅外光譜（FTIR）27
• 2.3.4 拉曼光譜（Raman）27
• 2.3.5 透射電子顯微鏡（TEM）分析27
• 2.3.6 掃描電子顯微鏡（SEM）分析27
• 2.3.7 N_2吸附-脫附分析27-28
• 2.4 電化學(xué)測(cè)試技術(shù)28-29
• 2.4.1 循環(huán)伏安測(cè)試28
• 2.4.2 恒流充/放電測(cè)試28
• 2.4.3 交流阻抗測(cè)試28-29
• 第三章 多孔摻氮柔性石墨烯薄膜電極的制備及其電容性能的研究29-39
• 3.1 引言29-30
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分30-38
• 3.2.1 氧化石墨的制備30
• 3.2.1.1 預(yù)處理30
• 3.2.1.2 氧化過(guò)程30
• 3.2.2 摻氮石墨烯薄膜的制備30-31
• 3.2.2.1 氧化石墨薄膜（GOF）的制備30
• 3.2.2.2 HF活化氧化石墨薄膜的制備30-31
• 3.2.2.3 摻氮石墨薄膜(HF-GNF)的制備31
• 3.2.3 材料的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能測(cè)試31-38
• 3.2.3.1 氮摻雜石墨烯薄膜材料的物性表征31-34
• 3.2.3.2 氮摻雜石墨烯薄膜材料的電化學(xué)特性34-38
• 3.3 本章小結(jié)38-39
• 第四章 氮摻雜多孔石墨烯薄膜的制備、表征及其超電容特性39-51
• 4.1 引言39-40
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分40-49
• 4.2.1 氧化石墨的制備40
• 4.2.2 多孔氧化石墨（PGO）的制備過(guò)程40
• 4.2.3 多孔石墨烯薄膜（PGOF）的制備40
• 4.2.4 摻氮的多孔石墨烯薄膜（PGNF）的制備40
• 4.2.5 材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能測(cè)試40-49
• 4.2.5.1 氮摻雜石墨烯薄膜材料的物性表征40-46
• 4.2.5.2 氮摻雜石墨烯薄膜材料的電化學(xué)特性46-49
• 4.3 本章小結(jié)49-51
• 第五章 水熱法氮磷共摻雜多孔石墨烯的制備、表征及其超電容特性51-64
• 5.1 引言51-52
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分52-62
• 5.2.1 多孔的氧化石墨的制備52
• 5.2.2 氮磷共摻多孔石墨烯的制備過(guò)程52
• 5.2.3 材料的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能測(cè)試52-62
• 5.2.3.1 氮磷共摻多孔石墨烯納米材料的物性表征52-54
• 5.2.3.2 氮磷共摻多孔石墨烯納米材料的電化學(xué)特性54-62
• 5.2.3.2.1 單電極測(cè)試54-56
• 5.2.3.2.2 水系對(duì)稱電容器電化學(xué)性能測(cè)試56-60
• 5.2.3.2.3 有機(jī)系對(duì)稱電容器電化學(xué)性能測(cè)試60-62
• 5.4 本章小結(jié)62-64
• 第六章 總結(jié)與展望64-66
• 6.1 總結(jié)64
• 6.2 展望64-66
• 參考文獻(xiàn)66-74
• 致謝74-75
• 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文75

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 ;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

2 ;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

3 ;新材料石墨烯[J];材料工程;2009年08期

4 ;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(bào);2009年04期

5 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(shí);2009年04期

6 傅強(qiáng);包信和;;石墨烯的化學(xué)研究進(jìn)展[J];科學(xué)通報(bào);2009年18期

7 ;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

8 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

9 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

10 萬(wàn)勇;馬廷燦;馮瑞華;黃健;潘懿;;石墨烯國(guó)際發(fā)展態(tài)勢(shì)分析[J];科學(xué)觀察;2010年03期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 成會(huì)明;;石墨烯的制備與應(yīng)用探索[A];中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)'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(guó)化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì)第04分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2010年

3 張甲;胡平安;王振龍;李樂(lè);;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(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（第3分冊(cè)）[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(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（第7分冊(cè)）[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(huì)——暨第十屆全國(guó)顆粒制備與處理研討會(huì)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(guó)青年摩擦學(xué)與表面工程學(xué)術(shù)會(huì)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(guó)高分子學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)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(guó)材料研討會(huì)論文摘要集[C];2011年

9 周震;;后石墨烯和無(wú)機(jī)石墨烯材料:計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第28屆學(xué)術(shù)年會(huì)第4分會(huì)場(chǎng)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(guó)材料研討會(huì)論文摘要集[C];2011年

中國(guó)重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 姚耀;石墨烯研究取得系列進(jìn)展[N];中國(guó)化工報(bào);2009年

2 劉霞;韓用石墨烯制造出柔性透明觸摸屏[N];科技日?qǐng)?bào);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(bào)記者 李好宇 張們捷(實(shí)習(xí)) 特約記者 李季;石墨烯未來(lái)應(yīng)用的十大猜想[N];電腦報(bào);2010年

5 證券時(shí)報(bào)記者 向南;石墨烯貴過(guò)黃金15倍 生產(chǎn)不易炒作先行[N];證券時(shí)報(bào);2010年

6 本報(bào)特約撰稿 吳康迪;石墨烯 何以結(jié)緣諾貝爾獎(jiǎng)[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?qǐng)?bào);2010年

8 本報(bào)記者 紀(jì)愛(ài)玲;石墨烯：市場(chǎng)未啟 炒作先行[N];中國(guó)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)報(bào);2011年

9 周科競(jìng);再說(shuō)石墨烯的是與非[N];北京商報(bào);2011年

10 王小龍;新型石墨烯材料薄如紙硬如鋼[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 呂敏;雙層石墨烯的電和磁響應(yīng)[D];中國(guó)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(píng)價(jià)[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(jí)結(jié)構(gòu)石墨烯/無(wú)機(jī)非金屬?gòu)?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(chǔ)能和腫瘤靶向診療方面的應(yīng)用[D];復(fù)旦大學(xué);2014年

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

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

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

3 苗偉;石墨烯制備及其缺陷研究[D];西北大學(xué);2011年

4 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

5 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

6 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

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

8 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

9 于金海;石墨烯的非共價(jià)功能化修飾及載藥系統(tǒng)研究[D];青島科技大學(xué);2012年

10 李晶;高分散性石墨烯的制備[D];上海交通大學(xué);2013年

，

本文編號(hào)：917455