基于石墨烯的功能多孔材料的制备及其性能研究

发布时间：2017-08-21 20:08

  本文关键词：基于石墨烯的功能多孔材料的制备及其性能研究

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【摘要】：近年来,锂离子电池(LIBs),广泛应用于便携的电子设备,如手机、笔记本电脑和平板电脑,等等。然而,常用的负极材料(石墨)不能满足能量密度、功率密度以及使用寿命等的需求。石墨烯是一种二维的单纯碳纳米材料,它在近些年来已经受到了广泛的关注。具备高孔隙率的石墨烯基多孔材料被认为是拥有优良性能的储能材料,在超级电容器和锂离子电池领域具有广阔的的应用前景。本篇论文主要阐述了关于石墨烯基的多孔材料的发展、制备、表征以及应用性的研究。通过探索不同的实验方案制备了具有不同功能的、高比表面积的石墨烯基多孔材料。利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜,x-射线衍射测试等手段对制备的材料进行测试表征,将所得到的材料应用于锂离子电池、锂硫电池的电极材料并研究了其储能性质。本文通过对石墨烯/三聚氰胺甲醛水凝胶冷冻干燥后再进行热处理制备了一种新型的氮掺杂的石墨烯基多孔材料(NPGM)。在形成过程中,三聚氰胺甲醛树脂用来作为交联剂和提供氮源。制备的NPGM具有不同级次的孔道结构,其BET比表面积高达1170 m2 g 1而且含氮量高达5.8 at%。此材料用作为锂离子电池器件的负极材料时表现出了优良的储能性能。在电流密度为100 mA g 1的条件下,其放电比容量为672mA h g 1,超过了很多其他非氮掺杂的石墨烯基电极材料的容量。除此以外,制备材料还具有较长的使用寿命和良好的倍率性能。利用原位还原法,通过GO与氨水的混合液的水热反应制备了氮掺杂石墨烯气凝胶。以这种具有多级次孔道结构的氮掺杂多孔石墨烯气凝胶作为固硫剂和导电剂制备了负载硫的氮杂石墨烯气凝胶复合材料(SNGA),并探索了不同的硫含量对锂硫电池性能的影响。通过使用电化学交流阻抗、恒流充放电和循环伏安法对材料的电化学性能进行测试,这种负载硫的氮杂多孔石墨烯气凝胶材料表现出优异的电化学性能,与传统的硫电极相比,他具有更高的可逆比容量和非常好的倍率性能。
【关键词】：石墨烯 多孔材料 气凝胶 锂离子电池 锂硫电池
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-31
• 1.1 引言10-11
• 1.2 石墨烯简介11-16
• 1.2.1 自上而下法11-14
• 1.2.2 自下而上法14-16
• 1.3 石墨烯基多孔材料的制备16-22
• 1.3.1 交联法16-19
• 1.3.2 原位还原法19-20
• 1.3.3 化学气相沉积法20-21
• 1.3.4 活化法21-22
• 1.4 石墨烯基多孔材料的应用22-26
• 1.4.1 锂离子电池22-24
• 1.4.2 超级电容器24-26
• 1.4.3 传感器26
• 1.5 本文的主要研究内容26-27
• 参考文献27-31
• 第2章 实验仪器与分析方法31-34
• 2.1 试剂材料与仪器31-32
• 2.1.1 实验使用试剂材料31
• 2.1.2 仪器设备31-32
• 2.2 基本表征及性能测试32-34
• 2.2.1 基本表征32
• 2.2.2 性能测试32-34
• 第3章 高度氮掺杂多孔石墨烯作为锂离子电池负极材料34-47
• 3.1 引言34-35
• 3.2 实验部分35-36
• 3.2.1 石墨烯氧化物/三聚氰胺甲醛水凝胶(GOMF)制备35
• 3.2.2 制备氮掺杂多孔石墨烯材料(NPGM)35
• 3.2.3 锂离子电池性能测试35-36
• 3.3 结果与讨论36-43
• 3.3.1 制备36
• 3.3.2 NPGM的表征36-40
• 3.3.3 NPGM的电化学性能测试40-43
• 3.4 本章小结43
• 参考文献43-47
• 第4章 氮掺杂多孔石墨烯气凝胶作为固硫剂和导电剂提高锂硫电池性能47-58
• 4.1 引言47
• 4.2 实验部分47-48
• 4.2.1 氮掺杂石墨烯气凝胶(NGA)的制备47-48
• 4.2.2 制备硫负载的氮掺杂石墨烯气凝胶(SNGA)48
• 4.2.3 锂硫电池性能测试48
• 4.3 结果与讨论48-55
• 4.3.1 制备样品48-49
• 4.3.2 测试与表征49-52
• 4.3.3 硫负载的氮杂石墨烯气凝胶的电化学性能测试52-55
• 4.4 本章小结55
• 参考文献55-58
• 结论58-61
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果61-62
• 致谢62

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本文编号：714851