低维碳基复合材料的构建及其光电化学性能研究

发布时间：2018-01-19 01:13

  本文关键词： 碳量子点 静电自组装 低维碳基复合材料 化学修饰电极 电化学储能　出处：《太原理工大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：能源与环境是当今世界面临的两大问题,大力开发清洁能源技术是决定全球可持续发展的重要途径。低维碳基复合材料因其丰富的资源,卓越的物理和化学性质为环境检测、清洁能源转换与利用等提供了良好的发展平台。基于碳量子点(Carbon quantum dots,CQDs)构建的低维碳基复合材料与体相材料相比,表现出更加优异的光电化学性能,从而在电化学传感器、光催化以及电化学储能等领域得到了广泛应用,并在调控物质形貌,实现功能组装和改善催化性能等方面具有重要的研究价值。本论文主要阐述了基于CQDs构建的低维碳基复合材料的设计、制备及其在光电化学领域内的应用。通过合成一系列高质量、高性能的低维碳基复合材料,包括石墨烯量子点(Graphene quantum dots,GQDs)修饰电极、CQDs/质子化g-C_3N_4(Proton-functionalized graphitic carbon nitride,HpCN)、CQDs/聚吡咯纳米线(polypyrrole nanowire,PPy-NW)和CQDs/聚吡咯复合物等材料,并研究了其在电化学传感器、光催化和超级电容器等方面的性能。充分体现出静电自组装法和电化学聚合法的独特优势和广泛适用性,并展现出低维碳基复合材料在光电化学领域内良好的应用前景。本论文的主要研究内容具体如下:1.提出一种静电自组装法制备GQDs修饰玻碳电极(Glassy carbon electrode,GCE)的新思路,并研究了对苯二酚(Hydroquinone,HQ)和邻苯二酚(Catechol,CC)在该修饰电极上的电化学行为。实验结果表明,在最佳优化条件下,GQDs/GCE对HQ和CC比裸GCE、OH /GCE表现出更强的电催化氧化能力,采用差分脉冲伏安法同时测定HQ和CC分别在4.0~600.0μM和6.0~400.0μM范围内具有良好的线性响应,检出限分别是0.40μM和0.75μM。而且,该修饰电极还具有良好的重现性、稳定性和实际应用能力。2.利用静电自组装法制备基于CQDs/HpCN复合材料的非金属光催化剂。采用g-C_3N_4浓硝酸质子化作用将其剥离成表面带有大量正电荷的二维HpCN,然后经静电吸引作用与表面带有负电荷的CQDs相结合,制备出一种具有优异光催化性能的非金属催化剂。通过不同材料的固体紫外-可见漫反射、瞬态光电流、电化学交流阻抗谱图以及光催化降解亚甲基蓝(Methylene blue,MB)的研究表明,相比较于纯g-C_3N_4和HpCN,CQDs/HpCN复合材料表现出较好的可见光响应能力和光催化活性,在可见光照射下CQDs/HpCN复合材料使MB在1.5 h内达到90%以上的降解率,光电流密度达到1.89μA·cm~(-2),并且经过5次循环实验,CQDs/HpCN复合材料仍可保持较强的光催化活性。3.设计并采用静电自组装法成功制备出一种具有优异电容性能的点画线纳米结构CQDs/PPy-NW复合材料,经过三电极体系测试研究表明,基于CQDs/PPy-NW的复合电极在电流密度为0.5 A·g~(-1)时比电容可达306 F·g~(-1),并且当电流密度增加至80倍(0.5~40 A·g~(-1))时仍可保持原比电容值的66.8%。将该复合材料电极组装成对称超级电容器进行测试,实验数据显示,在电流密度为0.2 mA·cm~(-2)时,该电容器的面积比电容可达248.5 mF·cm~(-2),且具有较高的能量密度(26.5μWh·cm~(-2))。此外,该电容器在电流密度为5 m A·cm~(-2)下经过5000次循环实验,其比电容保持率为85.2%,表现出良好的循环稳定性。总之,优异的电化学性能表明CQDs/PPy-NW在高性能电容器电极材料方面具有良好的应用前景。4.采用直接电化学聚合法将CQDs和吡咯单体(Py·+)共沉积到柔性基体不锈钢丝网表面,制备得到CQDs/PPy复合物柔性电极,并且该过程无金属离子电解质参与。在此过程中,Py·+通过静电吸引和电场作用以CQDs为核心在其表面聚合,从而在不锈钢丝网表面上形成“纳米岛”多孔结构。与纯PPy形成的致密结构相比,这种纳米多孔结构的“纳米岛”更有利于电荷与物质的传输。将其组装成全固态柔性超级电容器,在电流密度为0.2 m A·cm~(-2)下,该电容器的面积比电容为315 m F·cm~(-2)(对应的质量比电容为308 F·g~(-1)),经过电流密度为2m A·cm~(-2)恒电流充放电测试2000次后,比电容值保持率仍可达85.7%,表现出较高的循环稳定性。最后,通过弯曲不同角度测试其电化学性能,结果表明该电容器具有良好的柔性,而且可通过串并联方式有效地增加其工作电压和比电容,带动LED小灯泡,充分表明CQDs/PPy复合物是一种性能优良的电化学储能材料。5.为进一步提高电化学电容器的能量密度,本文以前期优化制备的CQDs/PPy复合物为正极材料,以二维石墨烯负载零维CQDs的低维碳基复合材料(CQDs/GR)为负极构建了新型的、具有更高能量密度的CQDs/PPy//CQDs/GR非对称超级电容器。由透射电镜图发现,CQDs经过与氧化石墨烯(GO)片层之间的π-π键合作用和分子间作用力紧密结合形成低维碳基复合材料。电化学测试结果表明,该超级电容器实现了较宽的电位窗口(1.6 V)和较高的能量密度(44.4 Wh·kg~(-1)),并且在2000次循环实验中表现出良好的循环稳定性。本项工作证明了CQDs/GR低维碳基复合材料作为非对称超级电容器负极材料的可行性,进一步推进了高性能非对称超级电容器的发展。
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本文编号：1441979