石墨烯基材料的合成及其在儲能方面的應(yīng)用研究
本文選題:石墨烯 + 二步溶劑熱法 ; 參考:《浙江大學》2015年博士論文
【摘要】:石墨烯具有高電子電導率、大比表面積和良好的機械性能,在高容量和大功率儲能器件上具有巨大的應(yīng)用前景。但在不同的能量存儲和轉(zhuǎn)化領(lǐng)域,對石墨烯的合成方法和結(jié)構(gòu)特征具有不同的要求。本論文針對石墨烯在鋰離子電池負極材料、超級電容器和鋰-空電池中的不同要求,首先采用氧化還原法和化學氣相沉積法二種制備工藝制備得到石墨烯。在此基礎(chǔ)上,展開了以下研究:采用二步溶劑熱法制備了石墨烯/金屬氧化物納米復合材料,研究了該類復合材料的吸放鋰性能,并利用原位TEM技術(shù)研究了復合材料的脫嵌鋰機制及石墨烯的作用機制;采用原位液相法對上述石墨烯進行氮摻雜處理,探索了氮摻雜石墨烯在全固態(tài)柔性超微電容器中的應(yīng)用,并研究了氮摻雜對電容特性的影響機制;采用CVD方法在泡沫鎳上沉積了三維石墨烯(GNs-Ni),并以此為導電基體,采用液相法沉積了δ-MnO2,研究了δ-MnO2/GNs催化電極在鋰-空電池中的應(yīng)用及Au修飾對δ-MnO2/GNs催化機制和催化性能的影響機制。為了進一步降低充電過電位,在δ-MnO2催化電極的基礎(chǔ)上,電解液中加入LiI氧化還原對構(gòu)成液固雙向催化,高效催化Li202的分解降低充電過電位。具體的研究內(nèi)容如下:(1)采用氧化還原法和化學氣相沉積法制備石墨烯。以氧化石墨和金屬離子為前驅(qū)體,利用氧化石墨上帶負電的含氧基團和帶正電荷的金屬離子之間的靜電作用,采用二步溶劑熱法制備了石墨烯/金屬氧化物(如Fe2O3、Mn3O4、CoFe2O4等)及石墨烯/硫化物(如CoS2、SnS2)納米復合材料,分析了其形成機制,研究了其可控制備技術(shù),據(jù)此分析了其應(yīng)用于鋰離子電池負極材料的應(yīng)用前景。以氧化石墨為前驅(qū)體,通過結(jié)合原位氮摻雜,制備了具有大比表面積的氮摻雜石墨烯,分析了其在全固態(tài)柔性超級電容器中的潛在應(yīng)用。研究了三維石墨烯在泡沫鎳基體上的形成機制,解析了該石墨烯的結(jié)構(gòu)特征,分析了該石墨烯作為鋰-空電池的集流體的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢及應(yīng)用價值。(2)在原位、可控制備石墨烯/金屬氧化物納米復合材料的基礎(chǔ)上,研究了其作為鋰離子電池負極材料的電化學性能。研究發(fā)現(xiàn),石墨烯的引入可顯著提高如Fe2O3、Mn3O4、MFe2O4(M=Co/Mn)等氧化物的電化學性能。利用二步溶劑熱和一步溶劑熱過程制備得到MnFe2O4/GNs復合材料,分析了預加熱處理對Mfe2O4納米顆粒尺寸以及其在石墨烯上生長形貌的影響,并探討了尺寸效應(yīng)對電化學儲鋰性能的影響。在此基礎(chǔ)上,以MnFe2O4/石墨烯為研究對象,利用原位TEM技術(shù)研究了其脫嵌鋰機制及充放電過程中石墨烯的作用機制。結(jié)果表明,經(jīng)過首次循環(huán),MnFe2O4顆粒粉化,電極反應(yīng)基于Fe/Mn/Li2O相與MnO/Fe3O4可逆轉(zhuǎn)換。動態(tài)圖像分析證明,石墨烯在充放電過程中確實起到緩沖體積膨脹、固定細小晶粒等作用,揭示了石墨烯基復合材料具有良好電化學性能的原因。(3)在制備氮摻雜石墨烯的基礎(chǔ)上,探索了其在全固態(tài)柔性超微電容器中的作用。首先,采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)組裝了全固態(tài)柔性超微電容器器件。研究表明,以氮摻雜石墨烯為電極的全固態(tài)超微電容器顯示出高的體積比容量(3.4 F cm-3),該值遠高于未摻雜的石墨烯。在單個器件的基礎(chǔ)上,通過簡單的串聯(lián)和并聯(lián),實現(xiàn)了輸出電壓和電容量的倍增,同時也證明了用該方法制備的超微電容器性能的一致性。彎曲性能測試表明,器件的彎曲不影響其電化學性能。該結(jié)果表明,該柔性全固態(tài)電容器在柔性器件上具有潛在的應(yīng)用。(4)在制備三維導電石墨烯基礎(chǔ)上,采用溶劑熱法在其表面生長了具有高效催化效果δ-MnO2。采用δ-MnO2/GNs為催化電極的鋰-空氣電池表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性,在400 mAg-1電流密度下定容500 mAh g-1可以穩(wěn)定循環(huán)130多次。在此基礎(chǔ)上,引入少量Au納米顆粒,通過Au與δ-MnO2的協(xié)同催化效應(yīng)及Au納米顆粒的誘導效應(yīng),納米結(jié)構(gòu)的Li2O2呈現(xiàn)薄片狀生長于δ-MnO2表面。而在單純的δ-MnO2表面,Li2O2為微米尺寸的粒狀顆粒。由于納米結(jié)構(gòu)的Li2O2薄片具有更好的電子電導和鋰離子電導,Au/δ-MnO2催化的鋰-氧電池顯示出更低的充放電過電位和更優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性,400 mAg-1電流密度下定容500 mAh g-1可以穩(wěn)定循環(huán)400次。在此基礎(chǔ)上,通過在電解液中加入LiI,可進一步降低鋰-氧電池的充電過電位。
[Abstract]:In the field of energy storage and transformation , graphene / metal oxide nanocomposite was prepared by two steps of oxidation reduction and chemical vapor deposition .
In this paper , the application of nitrogen - doped graphene in all solid - state flexible super - micro capacitors was investigated by in - situ liquid - phase method , and the effect mechanism of nitrogen doping on capacitance characteristics was studied .
Three - dimensional graphene oxide ( GNs - Ni ) was deposited on foam nickel by CVD method . On the basis of the preparation of nitrogen - doped graphene , the effect of it in all solid - state flexible super - micro capacitor is explored . First , the whole solid - state ultra - micro capacitor is fabricated by screen printing technology . The results show that the performance of the ultra - micro capacitor is more than that of undoped graphene .
【學位授予單位】:浙江大學
【學位級別】:博士
【學位授予年份】:2015
【分類號】:TQ127.11
【相似文獻】
相關(guān)期刊論文 前10條
1 李宗紅;;石墨烯——二維碳的奇妙世界[J];寶雞文理學院學報(自然科學版);2010年04期
2 李永璽;陳_g;莊小東;張斌;朱金輝;李佩佩;牛麗娟;;石墨烯化學及潛在應(yīng)用[J];上海第二工業(yè)大學學報;2010年04期
3 常艷麗;陳勝;曹傲能;;壓力促進氧化石墨烯水熱還原反應(yīng)的機理[J];上海大學學報(自然科學版);2010年06期
4 王耀玲;羅雨;陳立寶;李秋紅;王太宏;;石墨烯材料的研究進展[J];材料導報;2010年S1期
5 任文才;高力波;馬來鵬;成會明;;石墨烯的化學氣相沉積法制備[J];新型炭材料;2011年01期
6 王延相;劉玉蘭;王麗民;季敏霞;王成國;;由聚丙烯腈基碳纖維制備石墨烯薄膜的探索研究[J];功能材料;2011年03期
7 劉霞;;石墨烯:硅的“終結(jié)者”?[J];發(fā)明與創(chuàng)新(綜合科技);2011年09期
8 ;科學家觀察到石墨烯內(nèi)電子間相互作用[J];黑龍江科技信息;2011年27期
9 袁文輝;李保慶;李莉;;改進液相氧化還原法制備高性能氫氣吸附用石墨烯[J];物理化學學報;2011年09期
10 ;美開發(fā)出人工合成高質(zhì)量石墨烯新方法[J];天然氣化工(C1化學與化工);2011年05期
相關(guān)會議論文 前10條
1 趙福剛;李維實;;樹枝狀結(jié)構(gòu)功能化石墨烯[A];中國化學會第27屆學術(shù)年會第04分會場摘要集[C];2010年
2 帥志剛;龍孟秋;唐令;王冬;;納米帶狀石墨烯與石墨炔的電子結(jié)構(gòu)與電荷輸運[A];中國化學會第27屆學術(shù)年會第14分會場摘要集[C];2010年
3 王琳;趙立峰;孫淮;;分子動力學模擬計算攙硅石墨烯的熱傳導系數(shù)[A];中國化學會第27屆學術(shù)年會第14分會場摘要集[C];2010年
4 劉吉洋;郭少軍;翟月明;李丹;汪爾康;;肉豆蔻酰磷脂酰甘油保護石墨烯的制備[A];中國化學會第27屆學術(shù)年會第09分會場摘要集[C];2010年
5 劉云圻;魏大程;狄重安;武斌;郭云龍;于貴;;少數(shù)層石墨烯的可控制備和電性能研究[A];中國化學會第27屆學術(shù)年會第04分會場摘要集[C];2010年
6 張佳利;沈廣霞;郭守武;;化學還原的單層氧化石墨烯的電學性質(zhì)研究[A];中國化學會第27屆學術(shù)年會第04分會場摘要集[C];2010年
7 付磊;劉楠;戴博雅;劉迅;張朝華;劉忠范;;石墨烯的表面控制生長[A];中國化學會第27屆學術(shù)年會中日青年化學家論壇摘要集[C];2010年
8 張智軍;張立明;黃潔;夏景光;;基于氧化石墨烯的新型功能納米載體的制備及其應(yīng)用研究[A];中國化學會第27屆學術(shù)年會第04分會場摘要集[C];2010年
9 劉洪濤;鄭健;劉云圻;于貴;朱道本;;氨水和氨水蒸汽還原法制備石墨烯[A];全國第八屆有機固體電子過程暨華人有機光電功能材料學術(shù)討論會摘要集[C];2010年
10 陳永勝;黃毅;馬延風;王燕;許艷菲;張小巖;梁嘉杰;呂歆;;可溶性石墨烯材料的宏量制備及其器件應(yīng)用[A];全國第八屆有機固體電子過程暨華人有機光電功能材料學術(shù)討論會摘要集[C];2010年
相關(guān)重要報紙文章 前10條
1 劉霞;韓用石墨烯制造出柔性透明觸摸屏[N];科技日報;2010年
2 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
3 本報記者 李好宇 張們捷(實習) 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
4 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
5 本報特約撰稿 吳康迪;石墨烯 何以結(jié)緣諾貝爾獎[N];計算機世界;2010年
6 記者 謝榮 通訊員 夏永祥 陳海泉 張光杰;石墨烯在泰實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[N];泰州日報;2010年
7 本報記者 紀愛玲;石墨烯:市場未啟 炒作先行[N];中國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導報;2011年
8 周科競;再說石墨烯的是與非[N];北京商報;2011年
9 王小龍;新型石墨烯材料薄如紙硬如鋼[N];科技日報;2011年
10 本報記者 劉霞;石墨烯是神奇材料嗎?[N];科技日報;2011年
相關(guān)博士學位論文 前10條
1 王金華;類石墨烯納米片和模型體系的理論研究[D];吉林大學;2010年
2 廖清;石墨烯及其相關(guān)結(jié)構(gòu)的生長和性質(zhì)研究[D];浙江大學;2011年
3 謝月娥;石墨烯納米結(jié)構(gòu)電子輸運的調(diào)制[D];湘潭大學;2011年
4 袁建輝;石墨烯中的電子及其輸運性質(zhì)的研究[D];華中科技大學;2012年
5 徐華;石墨烯界面電荷轉(zhuǎn)移的拉曼光譜研究[D];蘭州大學;2012年
6 徐宇曦;功能化石墨烯的制備、組裝及其應(yīng)用[D];清華大學;2011年
7 康朝陽;碳化硅、藍寶石與銅箔表面石墨烯的生長和表征研究[D];中國科學技術(shù)大學;2012年
8 李占成;高質(zhì)量石墨烯的可控制備[D];中國科學技術(shù)大學;2012年
9 呂偉;石墨烯的宏量制備、可控組裝及電化學性能研究[D];天津大學;2012年
10 江林海;石墨烯負載納米復合材料的制備及其性質(zhì)研究[D];吉林大學;2013年
相關(guān)碩士學位論文 前10條
1 同鑫;石墨烯的制備及其復合電極材料儲鋰性能研究[D];西北大學;2011年
2 呂翔;石墨烯的制備及高分子改性[D];武漢理工大學;2011年
3 杜欣;可流動石墨烯的制備及其特性研究[D];武漢理工大學;2011年
4 謝聲意;還原石墨烯氧化物的第一性原理研究[D];吉林大學;2011年
5 鄒燕;功能化石墨烯氣敏特性的理論研究[D];曲阜師范大學;2011年
6 郭曉曉;單層石墨烯超晶格中的輸運特性和散粒噪聲[D];河北師范大學;2011年
7 韓超群;石墨烯在不平整表面上吸附的分子動力學研究[D];華東師范大學;2011年
8 周靜;氧化石墨烯和石墨烯的制備、表征與應(yīng)用[D];南京大學;2011年
9 王寬;石墨烯的室溫簡易制備及其電容性能研究[D];陜西師范大學;2011年
10 廖旭;石墨烯摩擦性質(zhì)研究[D];電子科技大學;2011年
,本文編號:2056451
本文鏈接:http://www.sikaile.net/kejilunwen/huagong/2056451.html