氮掺杂石墨烯基复合材料的制备及其电化学性能研究

发布时间：2017-06-09 15:04

  本文关键词：氮掺杂石墨烯基复合材料的制备及其电化学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：石墨烯具有优异的电学、化学和力学等性能,广泛应用于传感器、超级电容器、锂电池等各个领域。杂原子掺杂可以有效可以调控石墨烯的能带结构,改善其电化学性能,可提高石墨烯的电催化活性。氮原子与碳原子的原子半径相近,并且其电负性比碳原子大,因此,石墨烯通过氮原子掺杂可有效改善其电化学性能。此外,硫原子与碳原子电负性接近,其孤对电子易发生极化,可提高石墨烯的电化学性能。更加值得注意的是,氮原子与硫原子共同掺杂可产生协同作用,可提高材料的电化学性能。二氧化锡是一种过渡金属氧化物,具有高比电容,但其导电性和循环稳定性较差,碳材料可作为导电基底,可显著改善二氧化锡的电化学性能。本论文研究内容如下:(1)以氧化石墨烯为原料,尿素为还原剂和掺杂剂,通过热处理制备了氮掺杂石墨烯(NG)。采用TEM、AFM、XRD和XPS等手段对制得的NG进行了形貌和结构的表征。由于在石墨烯结构中掺杂了氮元素,NG具有其独特的结构和性能,因而使NG对对苯二胺的氧化具有很高的电催化活性。用制备的NG饰玻碳电极构建了一个高度灵敏的检测平台。这个平台具有一个低的检测限(0.67μM(S/N))和宽的线性区间(2-500u M),并且响应快速(3秒内)。可应用于环境分析和其他的电催化应用等领域。(2)以氧化石墨烯为原料,硫脲为还原剂和掺杂剂,以溶剂热法制备了氮硫共掺杂石墨烯(NSG)。通过TEM、AFM、XRD、XPS、UV-vis、Raman等手段对制得的NSG进行了表征。结果显示溶剂热法成功地将氮硫元素掺杂到石墨烯结构中,NSG为片状纳米结构,导电率高。以循环伏安和恒流充放电测试研究NSG的电化学性能,在6mol/L的KOH溶液中,电流密度为1A/g时,NSG的比电容为176.5 F/g。此外,经过1000次的充放电循环后,其比电容的保持率依然可达95.35%。NSG具有比电容高、电容保持率高、循环稳定性好等特点,非常适合作为理想的超级电容器电极材料。(3)以氧化石墨烯、尿素和氯化锡为原料合成二氧化锡/氮掺杂石墨烯复合材料(Sn O_2@NG)。通过TEM、AFM、XRD、XPS、Raman、TGA等手段,对Sn O_2@NG的表面形貌、结构和组成等性质进行了表征。表征显示氮掺杂石墨烯为片状结构,且二氧化锡颗粒均匀地分散在氮掺杂石墨烯片表面,二氧化锡颗粒为纳米级别,且结晶度高,在复合材料中,Sn O_2的含量约为54.23%。以循环伏安和恒流充放电测试研究Sn O_2@NG的电化学性能,在0.5mol/L的Na2SO4溶液中,电流密度为0.5 A/g时,其比电容为289.5 F/g。经过2000次充放电循环后,其电容保持率可达92.85%。Sn O_2@NG具有比电容高、电容保持率高、循环稳定性好等特点,非常适合作为理想的超级电容器电极材料。
【关键词】：氮掺杂石墨烯 电化学传感器 对苯二胺 超级电容器 氮硫共掺杂石墨烯 二氧化锡
【学位授予单位】：东华理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB332
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-21
• 1.1 引言9
• 1.2 石墨烯和氮掺杂石墨烯9-12
• 1.2.1 石墨烯概述9-10
• 1.2.2 氮掺杂石墨烯10-12
• 1.3 电化学传感器12-15
• 1.3.1 电化学传感器的原理及分类12-14
• 1.3.2 电化学传感器的制备14
• 1.3.3 电化学传感器的应用14-15
• 1.4 超级电容器15-20
• 1.4.1 超级电容器的工作原理和分类16-17
• 1.4.2 超级电容器的特点17-18
• 1.4.3 超级电容器的电极材料18-20
• 1.5 本文的研究意义和主要内容20-21
• 第二章 氮掺杂石墨烯修饰玻碳电极检测对苯二胺21-29
• 2.1 引言21-22
• 2.2.实验部分22-24
• 2.2.1 实验材料和设备22
• 2.2.2 氧化石墨烯和氮掺杂石墨烯的制备22-23
• 2.2.3 氮掺杂石墨烯修饰玻碳电极的制备23
• 2.2.4 表征23-24
• 2.3. 结果与讨论24-28
• 2.3.1 TEM和AFM分析24
• 2.3.2 XRD分析24-25
• 2.3.3 XPS分析25
• 2.3.4 对苯二胺在氮掺杂石墨烯修饰玻碳电极上的电化学行为25-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 氮硫共掺杂石墨烯的合成及其电容性能的研究29-41
• 3.1 引言29
• 3.2 实验部分29-32
• 3.2.1 实验材料和设备29-30
• 3.2.2 氧化石墨烯和氮硫共掺杂石墨烯的制备30
• 3.2.3 氮硫共掺杂石墨烯工作电极的制备30-31
• 3.2.4 氮硫共掺杂石墨烯的表征和电化学性能测试31-32
• 3.3 结果与讨论32-39
• 3.3.1. TEM和AFM分析32-33
• 3.3.2 XRD分析33
• 3.3.3 Raman分析33-34
• 3.3.4 XPS分析34-35
• 3.3.5 接触角分析35-36
• 3.3.6 UV vis分析36
• 3.3.7 电导率表征36-37
• 3.3.8 氮硫共掺杂石墨烯的电化学性能37-39
• 3.4 本章小结39-41
• 第四章 二氧化锡/氮掺杂石墨烯的制备及其电容性能研究41-51
• 4.1 引言41-42
• 4.2 实验部分42-43
• 4.2.1 实验材料和设备42
• 4.2.2 二氧化锡/氮掺杂石墨烯的制备42-43
• 4.2.3 二氧化锡/氮掺杂石墨烯工作电极的制备43
• 4.2.4 二氧化锡/氮掺杂石墨烯的表征和电化学性能测试43
• 4.3 结果与讨论43-50
• 4.3.1 TEM分析43-44
• 4.3.2 XRD分析44-45
• 4.3.3 XPS分析45-46
• 4.3.4 TGA分析46-47
• 4.3.5 Raman分析47
• 4.3.6 电化学性能分析47-50
• 4.4 本章小结50-51
• 结论51-53
• 参考文献53-62
• 研究生阶段发表的文章62-63
• 致谢63

【参考文献】

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 晏根平;基于低维碳纳米材料信号增强的电化学传感器研究[D];湖南大学;2015年

2 刘灿;电化学传感器检测堆肥微生物及几种典型环境污染物的研究[D];湖南大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 张合敬;基于石墨烯及其复合材料的电化学传感器研究[D];湖南大学;2013年

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