【摘要】：隨著環(huán)境問題的日益嚴(yán)重,超級電容器作為一種新型的儲能設(shè)備備受人們歡迎。而石墨烯作為一種理想的電極材料也一直是人們關(guān)注的重點。但是在沒有保護(hù)劑的存在下,二維石墨烯片層間強的范德華力和π-π堆積作用會導(dǎo)致石墨烯發(fā)生團(tuán)聚,進(jìn)而降低石墨烯的比表面積,從而限制其性能和應(yīng)用。本文從石墨烯的該缺點出發(fā),希望通過將二維石墨烯片組裝成三維宏觀結(jié)構(gòu)來解決石墨烯的團(tuán)聚問題。本文先利用改良的Hummers法制備氧化石墨烯溶液(GO),再用化學(xué)還原法(化學(xué)還原劑)還原GO,并在還原過程中巧妙利用其片層間強的范德華力和π-π堆積作用而組裝成三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),成功的防止其團(tuán)聚。該方法反應(yīng)溫度低、時間短、操作簡單;而且還能在不加額外摻雜劑的條件下實現(xiàn)GO的還原和雜原子摻雜的同步進(jìn)行;同時制備的石墨烯水凝膠得益于其豐富的多孔結(jié)構(gòu)而被作為電極材料應(yīng)用于超級電容器中。本文采用糖類、四硫富瓦烯(TTF)和二氧化硫脲三種不同類型的還原劑成功制備出雜原子摻雜的三維多孔石墨烯水凝膠,其中TTF和二氧化硫脲既做還原劑又做摻雜劑。1.在氨水存在的堿性條件下,以糖類(果糖、葡萄糖、蔗糖)為還原劑實現(xiàn)了少量氮摻雜,制備出三維多孔網(wǎng)狀石墨烯水凝膠(FRGHs、GRGHs、SRGHs)。研究了其電化學(xué)性能,氮元素來源及其對電化學(xué)性能的影響。研究表明,含氮和含氧官能團(tuán)能產(chǎn)生一定的贗電容進(jìn)一步提高其電容值。FRGHs、GRGHs、SRGHs在電流密度為0.3 A g-1時的比電容值分別為153.5 F g-1、145.0 F g-1、150.3 F g-1;電流密度達(dá)到20 A g-1時其保持率為61.4%、61.5%、46.9%;在1 A g-1下循環(huán)4000次后其比電容保持率高達(dá)97.1%、96.6%、92.8%。2.以TTF為還原劑制備出含硫量極高的石墨烯/TTF石墨烯納米復(fù)合物(SGHs)。進(jìn)一步研究雜原子摻雜對電化學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示,SGHs硫摻雜量高達(dá)26.23%,電容高達(dá)212.5 F g-1,循環(huán)4000次后比電容保持率仍能達(dá)到98%。3.以二氧化硫脲為還原劑制備出氮硫雙摻雜的三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)石墨烯水凝膠(RGHs)。通過控制還原劑的用量,實現(xiàn)了GO不同程度的還原及氮硫的可控性摻雜,從而制備出不同比表面和孔分布的RGHs。研究了氮硫摻雜的協(xié)同作用,并對其電化學(xué)性能進(jìn)行研究。研究表明,隨著還原劑用量的增加,氮、硫摻雜量逐漸升高,氧含量逐漸降低。GO的還原程度不同,RGHs(RGHs-1、RGHs-2、RGHs-5)的比表面積也不同,但分別可高達(dá)173 m2 g-1、189 m2 g-1、135 m2 g-1。RGHs-1、RGHs-2、RGHs-5的氮含量分別為4.10%、4.96%、6.43%,硫含量為0.53%、0.66%、0.84%,氧含量為16.91%、10.43%、9.70%;在電流密度為0.1 A g-1時的比電容值分別為258.6 F g-1、167.3 F g-1、198.3 F g-1,電流密度達(dá)到10 A g-1時其值仍分別保持在129.1 F g-1、110.8 F g-1、114.7 F g-1,其保持率為49.9%、66.2%、57.8%。RGHs-1在電流密度為1 A g-1時循環(huán)4000次后其保持率高達(dá)97.2%。
[Abstract]:With the increasingly serious environmental problems, supercapacitors as a new type of energy storage equipment are popular. As an ideal electrode material, graphene has always been the focus of attention. However, in the absence of protective agent, the strong van der Waals force and 蟺-蟺 stacking effect between two dimensional graphene layers will lead to the agglomeration of graphene, which will reduce the specific surface area of graphene, thus limiting its properties and applications. Based on the shortcoming of graphene, this paper hopes to solve the agglomeration of graphene by assembling two-dimensional graphene into three-dimensional macrostructure. In this paper, the (GO), of graphene oxide solution was prepared by modified Hummers method and then reduced to GO, by chemical reduction method (chemical reductant). In the process of reduction, a three-dimensional porous network structure was formed by using the strong van der Waals force and 蟺-蟺 stacking interaction between the layers. Succeed in preventing his reunion. The reaction temperature is low, the reaction time is short, the operation is simple, and the reduction of GO and the synchronization of hetero-atom doping can be realized without adding additional dopant. The graphene hydrogel prepared at the same time has been used as electrode material in supercapacitors due to its abundant porous structure. In this paper, three different types of reducing agents, carbohydrate, tetrathiafurene (TTF) and thiourea dioxide, were used to prepare three dimensional porous graphene hydrogels doped with hetero atoms. TTF and thiourea dioxide were used as both reductant and dopant. A three-dimensional porous graphene hydrogel (FRGHs,GRGHs,SRGHs) was prepared by doping a small amount of nitrogen with carbohydrates (fructose, glucose, sucrose) in the presence of ammonia. The electrochemical properties, nitrogen sources and their effects on electrochemical properties were studied. Research shows that Nitrogen and oxygen functional groups can produce a certain pseudo-capacitance to further increase the capacitance value. The specific capacitance of GRGHs SRGHs is 153.5 F g-1145.0 F g-1150.3 F g-1 when the current density is 0.3A g ~ (-1); the retention rate is 61.461.5% 46.9 when the current density is 20 A g ~ (-1); and the specific capacitance is 153.5 F g-1145.0 F g-1150.3 F g ~ (-1) when the current density is 0.3A g ~ (-1). After 4000 cycles under A g -1, the specific capacitance retention rate is as high as 97.1and 96.60.92. 8%. Preparation of graphene / TTF graphene nanocomposites (SGHs). With extremely high sulphur content using TTF as reducing agent The effect of hetero doping on electrochemical properties was further studied. The results show that the sulfur doping amount of SGHs is as high as 26.23 and the capacitance is up to 212.5 F g-1.After 4000 cycles, the specific capacitance retention rate can still reach 98.3. Preparation of three dimensional porous graphene hydrogel (RGHs). With double doping of nitrogen and sulfur using thiourea dioxide as reducing agent By controlling the amount of reducing agent, the reduction of GO and the controllable doping of nitrogen and sulfur were realized, and the RGHs. with different specific surface and pore distribution was prepared. The synergistic effect of nitrogen and sulfur doping was studied and its electrochemical performance was studied. The results showed that with the increase of the amount of reductant, the doping amount of nitrogen and sulfur gradually increased, and the oxygen content decreased gradually. The specific surface area of RGHs-1,RGHs-2,RGHs-5 was different with the decrease of oxygen content. But up to 173m2 g-1189 m2 g-1135m2 g-1.RGHs-1 + RGHs-2RGHs-5 were found to have a nitrogen content of 4.10100.960.43a and a sulfur content of 0.530.66660.660.684, and an oxygen content of 16.91A / g = 10.439.70.The specific capacitance of 0.1A g ~ (-1) was 258.6 F g-1167.3 F g-1198.3 F g ~ (-1), and the current density reached 10 A g ~ (-1). The specific capacitance was 258.6 F g-1167.3 F g ~ (-1) F g ~ (-1), and the current density reached 10 A g ~ (-1). Do not keep at 129.1 F g-1110.8 F g-1114.7 F g-1, and its retention rate is 49.9%. The retention rate of RGHs-1 is as high as 97.2B after 4000 cycles at the current density of 1A g ~ (-1).
【學(xué)位授予單位】：山東理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TQ127.11

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本文編號：2203844