本文關鍵詞：三維石墨烯基多孔復合材料的制備及其電化學性能研究

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【摘要】：石墨烯因具有超高的比表面積、導電性和化學穩(wěn)定性,被認為是新一代的碳材料,在光電、能源、生物和環(huán)境等領域有著誘人的應用前景。但是由于石墨烯片之間的π-π堆疊嚴重,單層的石墨烯很難獨立存在,這極大程度地限制其實際應用。因此,以石墨烯片層為構筑單元,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聚,而且能夠為載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)構將有利于其在能源存儲器件中的應用。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)構的石墨烯基多孔復合材料,考察了多孔復合材料在超級電容器和鋰離子電池負極材料方面的性能。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性能。這項研究中,三維石墨烯氣凝膠—氧化石墨烯通過水熱還原反應,脫去部分含氧官能團,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,得到在三維石墨烯基多孔碳復合材料。該復合材料不僅保持了三維大孔結(jié)構,并且具有高含氮量和高比表面積：通過三電極體系電化學性能測試發(fā)現(xiàn)該復合材料在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,為了實現(xiàn)該復合材料在柔性儲能器件上的應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)采用預先生長氫氧化鈷納米顆粒的氧化石墨烯二維片作為構筑單元,通過水熱組裝的方式得到了具有三維大孔結(jié)構的四氧化三鈷／石墨烯復合材料(Co3O4/GFs)。作為鋰離子電池負極材料,其中Co3O4/GF-3復合材料在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,C0304納米顆�？梢跃鶆蚍稚⒃谑┕羌鼙砻嫔�,緩解C0304的體積膨脹效應,并且三維大孔結(jié)構的石墨烯不但可以有效改善自身的π-π堆疊效應,而且同時可以使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
【學位授予單位】：上海應用技術大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：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合材料概述15-16
• 1.3 三維石墨烯基多孔復合材料的電化學性能應用16-23
• 1.3.1 超級電容器16-17
• 1.3.2 三維石墨烯基多孔復合材料在超級電容器方面的應用研究17-19
• 1.3.3 鋰離子電池19-21
• 1.3.4 三維石墨烯基多孔復合材料在鋰電方面的應用21-23
• 1.4 論文主要研究內(nèi)容23-25
• 第2章 NPC-GAs復合材料的制備及其電化學性能研究25-45
• 2.1 實驗試劑與儀器25-26
• 2.1.1 實驗試劑25-26
• 2.1.2 實驗儀器26
• 2.2 NPC-GAs復合材料的制備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復合材料復合材料的制備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)構表征31-33
• 2.4.2 GA微觀結(jié)構形貌表征33-34
• 2.4.3 NPC-GAs復合材料結(jié)構表征34-37
• 2.4.4 GA和NPC-GAs復合材料的三電極電容器電化學性能測試及分析37-41
• 2.4.5 NPC-GA-2復合材料的柔性全固態(tài)超級電容器電化學性能測試及分析41-43
• 2.5 本章小結(jié)43-45
• 第3章 三維大孔結(jié)構四氧化三鈷/石墨烯復合材料制備及電化學性能研究45-56
• 3.1 實驗試劑與儀器45-46
• 3.1.1 實驗試劑45
• 3.1.2 實驗儀器45-46
• 3.2 實驗部分46-54
• 3.2.1 Co_3O_4/GFs復合材料的制備46-47
• 3.2.2 Co_3O_4/GFs復合材料的結(jié)構表征47-51
• 3.2.3 Co_3O_4/GFs復合材料的電化學性能表征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58-67
• 致謝67-69
• 攻讀學位期間所開展的科研項目和發(fā)表的學術論文69

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本文編號：620971