功能化部分还原氧化石墨烯的制备及电化学性能研究

发布时间：2018-04-05 15:36

本文选题：氧化石墨烯　切入点：功能化　出处：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文

【摘要】：石墨烯优异的比表面积、导电性、化学稳定性等特性使其非常适合作为双电层电容器电极材料使用。但是由于石墨烯无法避免的片层团聚和相对较低的比电容等问题限制了其在超级电容器领域的应用。氧化石墨烯(GO)表面含有大量的含氧官能团,这些官能团可以通过法拉第反应提高材料的赝电容,但是氧化石墨的电导率值太低无法作为电极材料使用。因此,本论文使用少量含氨基的有机化合物在水热条件下对GO进行了部分还原和功能化改性,使材料同时具有双电层电容和赝电容机制,获得了较高的电化学性能。具体研究内容与研究结果如下:(1)分别使用极少量的1,4-丁二胺和苯乙胺作为还原剂、氮源以及形貌调节剂与GO在水热条件下反应制备了有机胺功能化部分还原氧化石墨烯材料,并研究了其电化学性能。结果表明,少量有机胺制备的样品具有三维网状结构,其孔径随着有机胺用量的增大而增大。由1,4-丁二胺制备的样品和由苯乙胺制备的样品都具有较大的比表面积和良好的孔径结构因而展现出了良好的双电层电容性能,在1 M Na_2SO_4电解液中当电流密度为0.3 A g~(-1)时其比电容分别达到了106.4 F g~(-1)和106.6 F g~(-1);样品表面保留的大量的酸性含氧官能团和引入的少量含氮官能团可以提高材料的亲水性、电导率和赝电容。因此,在6 M KOH电解液中由1,4-丁二胺制备的样品和由苯乙胺制备的样品在电流密度为0.3 A g~(-1)时的比电容则分别高达268.8 F g~(-1)和264.1 F g~(-1),同时其能量密度也分别达到了9.3 Wh kg~(-1)和9.2 Wh kg~(-1),经过10000次在10 A g~(-1)下的充放电测试后其比电容值分别为初始值的101.03%和101.85%。(2)分别使用少量的对氨基苯酚和三羟甲基氨基甲烷作为反应的前驱体,成功的制备出了酚羟基和醇羟基功能化的部分还原氧化石墨烯材料。酚羟基和醇羟基功能化后样品的形貌和孔径结构都得到了改善。在1 M Na_2SO_4溶液中的电化学分析结果表明,由对氨基苯酚制备的样品具有更高的亲水性和更大的比表面积以及更高的电导率,因而其电容性能比较好,而醇羟基功能化的样品则拥有更加稳定的孔径结构,因而其具有更好的循环稳定性。样品在6 M KOH电解液中的电化学分析结果表明,化学活性较强的酚羟基功能化的样品展现出了非常好的比电容性能和较高的能量密度,当电流密度为0.3 A g~(-1)时其比容量和能量密度值分别达到了284.1 F g~(-1)和9.9 Wh kg~(-1)远远的大于目前商用的超级电容器。但其循环稳定性能不是特别优异随着充放电测试的进行其比容量不断地降低。化学稳定性较强醇羟基制备的样品不仅具有优异的电容性能,还具有超高的倍率性能和循环稳定性能。经过在10 A g~(-1)下的10000次充放电循环后,当电流密度为0.3 A g~(-1)时其比容量和能量密度值分别达到了276.8 F g~(-1)和9.6 Wh kg~(-1)。(3)分别使用少量的中性氨基酸(丙氨酸),酸性氨基酸(谷氨酸)和碱性氨基酸(赖氨酸)作为前驱体制备了氨基酸功能化部分还原氧化石墨烯材料。结果表明,少量中性氨基酸可以有效的改善样品的比表面积和孔径结构,酸性氨基酸次之,而碱性氨基酸制备的样品中石墨烯片层则出现了明显的团聚现象。因此,在1 M Na_2SO_4电解液中丙氨酸制备的样品具有最好的双电层电容性能。经过氨基酸功能化以后样品的表面引入了大量的羧基官能团和少量的含氮官能团并保留了大量的羟基官能团。在6 M KOH电解液中少量的中性氨基酸功能化的样品在0.3 A g~(-1)的电流密度下其比电容和能量密度值分别达到了262.8 F g~(-1)和9.1 Wh kg~(-1)。另外,由于氨基酸分子中的羧基官能团既具有很强的亲水性又具有较强的电化学稳定性,因此不同酸碱度氨基酸功能化的样品都表现出了良好的倍率性能和循环稳定性能。
[Abstract]:The specific surface area , conductivity , chemical stability and so on of graphene are very suitable to be used as electrode materials of the double layer capacitor . The results show that the samples prepared from 1,4 - butanediamine and the small amount of nitrogen - containing functional groups can increase the hydrophilicity , conductivity and pseudo - capacitance of the materials . The results show that the sample has higher specific surface area , higher specific surface area and higher electrical conductivity than the current commercial super capacitor . The results show that the sample with stronger chemical stability has higher specific surface area and higher energy density than the current commercial super capacitor .

【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ127.11;O646

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