非金属杂原子掺杂石墨烯气凝胶的水热制备及电化学性能研究
发布时间：2020-12-17 02:48
近年来,超级电容器已经成为新能源领域的科研与应用热点。传统超级电容器虽然可以保持很高的比电容和能量密度,但是其充放电倍率性能较差,循环寿命较短,这主要归因于电极材料的结构和比表面积的大小。碳元素是构成生物机体的最基本元素,碳材料始终在人类发展历史上起着主导作用。石墨烯是单层碳原子以sp2键合的平面连通结构,这种完美的晶体结构给予石墨烯优异的导热、导电、大比表面积和易改性表面化学等特性,在超级电容器储能领域中应用广泛。三维孔状石墨烯气凝胶（Graphene Aerogel,GA）由二维石墨烯薄片通过化学交联形成,不仅拥有石墨烯的优异导电性、导热性和机械强度,而且孔隙率极高,与传统的高比表面积材料相比,GA作为超级电容器电极材料的有效表面积不依赖于固态下的孔隙分布,这种具有三维连通孔结构的电极材料在超级电容器等新型绿色能源领域潜力无穷,是未来储能领域的风向标。然而,石墨烯是一种带隙为零的半导体/半金属材料,低开关比和大漏电流使石墨烯无法大规模应用在电子器件领域中,为了提升石墨烯超级电容器的电化学性能,可以通过非金属杂原子的化学掺杂打开石墨烯的带隙,调整石墨烯能带结构,...
【文章来源】： 任帅 陕西理工大学
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）相同碳原子构成了石墨烯二维六边形结构；（b）石墨烯面内的σ键和π轨道原理
第1章绪论-5-的石墨烯光电探测器，它同时具有高响应性、速度快和宽光谱带宽等一系列优势。石墨烯本身纤薄的特点结合超高的透光率和导电性，成为制备柔性电子屏幕、透明电极、光伏器件和基于硅波导光电器件等的理想材料。图1-2（a）50μm孔洞被石墨烯和双层石墨烯部分遮盖；（b）单层石墨烯的透射光谱[31]Fig.1-2(a)The50μmapertureispartiallycoveredbygrapheneanddouble-layergraphene;(b)transmissionspectrumofsingle-layergraphene[31]4）热性能热导率是表征材料导热能力的物理量。石墨烯作为一种单原子层厚度的二维晶体，其导热性归因于晶格的热振动。石墨烯内的六种极性声子大幅提升了其导热性能，基于声子导热理论计算出铜的热导率为380W/mK、单臂碳纳米管为3500W/mK[35]、多壁碳纳米管为3000W/mK[36]、金刚石的热导率在2000W/mK左右[37]，模拟计算出石墨烯的热导率高达5000W/mK，是迄今为止最高的导热材料[38]。石墨烯优异的导热性可以应用在采暖、电子信息和医学护具等领域。1.2.2石墨烯的制备方法单层石墨的制备工作最早可以追溯到1975年，当时Lang等人[39]通过热降解的方式在单晶铂表面沉积了单层石墨，但是，由于制备工艺的不完善和表征设备落后，金属铂不同晶面制备的单层石墨并没有得到进一步的发展和应用。后来的几十年时间石墨烯的制备工作并没有取得突破性的进展。直到2004年，英国曼彻斯特大学的Geim和Novoselov成功制备了单层稳定石墨烯，推翻了经典的“热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下自由存在”的经典理论，他们首次向世界展示机械剥离法可以重复制备单层石墨烯[40]。自此之后，关于石墨烯的制备方法层出不穷，科学家们都在致力去寻求高效低成本的单层石墨烯制备方法。
陕西理工大学硕士学位论文-6-（1）机械剥离法自从2004年石墨烯被成功制备以来，机械剥离法受到科研人员广泛的关注和研究。机械剥离法可以制备单层高结晶度的高质量石墨烯，其主要步骤是先利用氧气等离子体在高定向热解石墨（HighlyOrientedPyrolyticGraphite，HOPG）进行离子刻蚀，然后利用透明胶带对粘在玻璃衬底上的HOPG反复撕扯，之后去除多余的HOPG并将表面附着石墨烯的玻璃在丙酮溶液中超声处理，并最终得到单层石墨烯（图1-3所示）[40]。图1-3石墨烯薄膜：（a）氧化硅上大面积多层石墨烯；（b）二氧化硅（SiO2）表面AFM照片；（c）单层石墨烯的AFM照片；（d）实验装置的扫描电镜图；（e）制备装置的原理图[40]Fig.1-3Graphenefilm:(a)Largeareamultilayergrapheneonoxidegraphenewafer;(b)AFMimageoftheSiO2surface;(c)AFMofsingle-layergraphene;(d)scanningelectronmicroscopyofpreparationdevice;(e)schematicdiagramofthepreparationdevice[40]但是，机械剥离法也有很多缺点，如无法获得均匀高质量石墨烯、制备过程繁琐费时、无法大规模制备和难以工业化应用。为了加快制备效率，Jayasena等人[41]利用超尖锐单晶金刚石楔子辅以超声震荡去剥离HOPG，从而制备了高品质单层石墨烯。实验结果表明，改进的机械剥离法可以合成数微米的单层石墨烯，拉曼光谱（RamanSpectroscopy，Raman）表明超声震荡能够显著减少石墨烯的微晶尺寸，此方法的改进对于机械剥离制备高品质石墨烯意义重大。Chen等人[42]受到“透明胶带法”的启发，利用三辊轧机和高分子聚合物连续剥离天然石墨从而制备出了高质量单层和少层石墨烯。表征结果显示，单层石墨烯的厚度在113-141nm。三辊轧机的机械剥离过程可规模化、低成本制备单层石墨烯或者原位制备?
【参考文献】：
期刊论文
[1]硼掺杂石墨烯气凝胶的制备及在超级电容器中电化学性能研究[J]. 任帅,容萍,于琦,姜立运,李亚鹏. 炭素技术. 2019(04)
[2]石墨烯掺杂的研究进展[J]. 张芸秋,梁勇明,周建新. 化学学报. 2014(03)
[3]超级电容器应用展望[J]. 刘春娜. 电源技术. 2010(09)
[4]超级电容器的应用与发展[J]. 胡毅,陈轩恕,杜砚,尹婷. 电力设备. 2008(01)
博士论文
[1]多孔炭超级电容器电极材料的制备及倍率性能研究[D]. 范小明.大连理工大学 2014
[2]石墨烯的制备及其在聚合物复合材料中的应用[D]. 王彦.上海交通大学 2012
硕士论文
[1]石墨烯基复合材料的制备及其在超级电容器中的应用[D]. 张凯立.浙江工业大学 2019
[2]基于硒化镍及其复合电极材料的非对称超级电容器研究[D]. 顾芸.华侨大学 2019
[3]稀土元素掺杂二氧化锰微粒制备研究[D]. 赵娜英.西安科技大学 2018
[4]超声化学法制备金属氧化物/石墨烯复合材料及其电化学性能[D]. 李冉.湖北大学 2018
[5]杂原子掺杂石墨烯气凝胶的制备及其在超级电容器中的应用[D]. 刘兆恩.河南师范大学 2018
[6]富氮碳材料作为超级电容器电极材料的研究[D]. 王哲.河南师范大学 2015
[7]石墨烯器件的原子层沉积技术制备及电输运性能研究[D]. 张芸秋.南京航空航天大学 2015
[8]基于锰氧化物和石墨烯材料的超级电容器性能研究[D]. 刘永川.北京交通大学 2014
本文编号：2921270
【文章来源】： 任帅 陕西理工大学
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）相同碳原子构成了石墨烯二维六边形结构；（b）石墨烯面内的σ键和π轨道原理
第1章绪论-5-的石墨烯光电探测器，它同时具有高响应性、速度快和宽光谱带宽等一系列优势。石墨烯本身纤薄的特点结合超高的透光率和导电性，成为制备柔性电子屏幕、透明电极、光伏器件和基于硅波导光电器件等的理想材料。图1-2（a）50μm孔洞被石墨烯和双层石墨烯部分遮盖；（b）单层石墨烯的透射光谱[31]Fig.1-2(a)The50μmapertureispartiallycoveredbygrapheneanddouble-layergraphene;(b)transmissionspectrumofsingle-layergraphene[31]4）热性能热导率是表征材料导热能力的物理量。石墨烯作为一种单原子层厚度的二维晶体，其导热性归因于晶格的热振动。石墨烯内的六种极性声子大幅提升了其导热性能，基于声子导热理论计算出铜的热导率为380W/mK、单臂碳纳米管为3500W/mK[35]、多壁碳纳米管为3000W/mK[36]、金刚石的热导率在2000W/mK左右[37]，模拟计算出石墨烯的热导率高达5000W/mK，是迄今为止最高的导热材料[38]。石墨烯优异的导热性可以应用在采暖、电子信息和医学护具等领域。1.2.2石墨烯的制备方法单层石墨的制备工作最早可以追溯到1975年，当时Lang等人[39]通过热降解的方式在单晶铂表面沉积了单层石墨，但是，由于制备工艺的不完善和表征设备落后，金属铂不同晶面制备的单层石墨并没有得到进一步的发展和应用。后来的几十年时间石墨烯的制备工作并没有取得突破性的进展。直到2004年，英国曼彻斯特大学的Geim和Novoselov成功制备了单层稳定石墨烯，推翻了经典的“热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下自由存在”的经典理论，他们首次向世界展示机械剥离法可以重复制备单层石墨烯[40]。自此之后，关于石墨烯的制备方法层出不穷，科学家们都在致力去寻求高效低成本的单层石墨烯制备方法。
陕西理工大学硕士学位论文-6-（1）机械剥离法自从2004年石墨烯被成功制备以来，机械剥离法受到科研人员广泛的关注和研究。机械剥离法可以制备单层高结晶度的高质量石墨烯，其主要步骤是先利用氧气等离子体在高定向热解石墨（HighlyOrientedPyrolyticGraphite，HOPG）进行离子刻蚀，然后利用透明胶带对粘在玻璃衬底上的HOPG反复撕扯，之后去除多余的HOPG并将表面附着石墨烯的玻璃在丙酮溶液中超声处理，并最终得到单层石墨烯（图1-3所示）[40]。图1-3石墨烯薄膜：（a）氧化硅上大面积多层石墨烯；（b）二氧化硅（SiO2）表面AFM照片；（c）单层石墨烯的AFM照片；（d）实验装置的扫描电镜图；（e）制备装置的原理图[40]Fig.1-3Graphenefilm:(a)Largeareamultilayergrapheneonoxidegraphenewafer;(b)AFMimageoftheSiO2surface;(c)AFMofsingle-layergraphene;(d)scanningelectronmicroscopyofpreparationdevice;(e)schematicdiagramofthepreparationdevice[40]但是，机械剥离法也有很多缺点，如无法获得均匀高质量石墨烯、制备过程繁琐费时、无法大规模制备和难以工业化应用。为了加快制备效率，Jayasena等人[41]利用超尖锐单晶金刚石楔子辅以超声震荡去剥离HOPG，从而制备了高品质单层石墨烯。实验结果表明，改进的机械剥离法可以合成数微米的单层石墨烯，拉曼光谱（RamanSpectroscopy，Raman）表明超声震荡能够显著减少石墨烯的微晶尺寸，此方法的改进对于机械剥离制备高品质石墨烯意义重大。Chen等人[42]受到“透明胶带法”的启发，利用三辊轧机和高分子聚合物连续剥离天然石墨从而制备出了高质量单层和少层石墨烯。表征结果显示，单层石墨烯的厚度在113-141nm。三辊轧机的机械剥离过程可规模化、低成本制备单层石墨烯或者原位制备?
【参考文献】：
期刊论文
[1]硼掺杂石墨烯气凝胶的制备及在超级电容器中电化学性能研究[J]. 任帅,容萍,于琦,姜立运,李亚鹏. 炭素技术. 2019(04)
[2]石墨烯掺杂的研究进展[J]. 张芸秋,梁勇明,周建新. 化学学报. 2014(03)
[3]超级电容器应用展望[J]. 刘春娜. 电源技术. 2010(09)
[4]超级电容器的应用与发展[J]. 胡毅,陈轩恕,杜砚,尹婷. 电力设备. 2008(01)
博士论文
[1]多孔炭超级电容器电极材料的制备及倍率性能研究[D]. 范小明.大连理工大学 2014
[2]石墨烯的制备及其在聚合物复合材料中的应用[D]. 王彦.上海交通大学 2012
硕士论文
[1]石墨烯基复合材料的制备及其在超级电容器中的应用[D]. 张凯立.浙江工业大学 2019
[2]基于硒化镍及其复合电极材料的非对称超级电容器研究[D]. 顾芸.华侨大学 2019
[3]稀土元素掺杂二氧化锰微粒制备研究[D]. 赵娜英.西安科技大学 2018
[4]超声化学法制备金属氧化物/石墨烯复合材料及其电化学性能[D]. 李冉.湖北大学 2018
[5]杂原子掺杂石墨烯气凝胶的制备及其在超级电容器中的应用[D]. 刘兆恩.河南师范大学 2018
[6]富氮碳材料作为超级电容器电极材料的研究[D]. 王哲.河南师范大学 2015
[7]石墨烯器件的原子层沉积技术制备及电输运性能研究[D]. 张芸秋.南京航空航天大学 2015
[8]基于锰氧化物和石墨烯材料的超级电容器性能研究[D]. 刘永川.北京交通大学 2014
本文编号：2921270
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