氮掺杂碳材料的合成及其电化学电容性能研究

发布时间：2017-09-17 04:17

  本文关键词：氮掺杂碳材料的合成及其电化学电容性能研究

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【摘要】：超级电容器作为一种新型的储能装置在可再生能源和清洁能源的应用研究上发挥着越来越重要的作用。作为超级电容器的重要组成部分,电极材料的结构和组成直接影响和制约着超级电容器的储能效率和发展应用。碳材料凭借其原料丰富、易加工、比表面积大、导电导热性能好、无毒无污染、化学性质稳定、工作温度范围宽等诸多优点成为目前为止在商业化运行上应用最多的电极材料。石墨烯(Graphene)材料,拥有极高的理论比表面积和优异的导电性能,且生产成本低、可大量生产制备,近年来,其作为超级电容器电极材料的研究也越来越引人注目。而掺杂可以有效地改变石墨烯的表面性质,形成优异的形态结构的改性石墨烯材料。在石墨晶格中掺杂原子,尤其是氮原子,可以在费米能级水平上增强其能量状态和密度状态,从而克服纳米碳的量子电容限制问题,最终增加其比电容,以得到具有高能量密度和高功率密度的材料。本文主要以氧化石墨烯和碳纳米管为原料、尿素(urea)为掺杂剂,通过一种简单的热处理法制备三维多孔掺氮石墨烯片(Three-dimensional porous Nitrogen-doped graphene nanosheets, NGS),并通过设计不同的投料比例和升温程序,对比分析投料比和升温程序对所合成材料组成、结构和性能的影响。具体研究内容和成果如下：(1)采用改良的Hummers法将石墨粉氧化成氧化石墨(Graphene Oxide),以氧化石墨为碳源,尿素为氮源,将二者充分混合,利用管式炉在氮气中对其进行300℃ 3h,800 ℃ 2h两个阶段的煅烧。作为掺杂剂,尿素在煅烧过程中会分解释放出氨气,随后氨气与氧化石墨中的含氧官能团反应,使氮原子进入石墨晶格中,从而形成掺氮石墨烯片。当氧化石墨和尿素以不同比例进行反应时,制备出NGS的含氮量和微观形貌不同,其电容值也有很大差异。通过对比可知,当GO: urea= 1:10时,产物中氮原子含量最高,可达5.76 at%；在1Ag-1的电流密度,6M KOH的电解液中有高达368.5 F g-1的比电容；在扫描速度为50 mV s-1,6 M KOH溶液中,5000个循环之后掺氮的石墨烯纳米材料仍保有97.6%的初始电容。(2)为了研究不同温度下热处理氧化石墨和尿素混合物对掺氮产物微观形貌和电容性能的影响,我们对上述最佳比例的混合物进行300℃和800℃不同程度的煅烧。并采用扫描电镜检测其微观形貌。结果表明,不同升温程序的材料表面都有一定程度的褶皱,当以300℃(3h)→800℃(2h)的升温程序处理时,材料具有最多的褶皱和最好的分散性。这说明,适当的低温阶段相比于直接升温至反应温度(800℃)更有利于尿素缓慢的分解,促使产生气体,从而更好地诱导尿素插层的氧化石墨烯发生形变卷曲,增大材料的比电容。电化学测试结果也表明,样品NGS-32具有最好的电容性能,是极具应用前景的超级电容器电极材料。(3)氧化石墨烯可以有效的分散碳纳米管,同时,碳纳米管也可以阻止氧化石墨烯的团聚以增加材料的比表面积和导电性。本章中,我们提出以一种碳碳共掺杂的方式,将剖开碳纳米管与碳酸氢铵混合进行水热改性,生成的纳米材料与氧化石墨烯混合自组装,最后将碳-碳复合材料进行煅烧掺氮,从而制备出氮掺杂的Graphene-CNTs(NGCs)复合材料。并通过对比实验得出,当氧化石墨烯与碳纳米管的质量比为1:2(NGCs-0.5)时,NGCs具有最好的电容性能,在1 A g-1的电流密度,1 M KOH的电解液中,NGCs-0.5的比电容为267.5 F g-1。且在扫描速度为50mVs-1,1M KOH溶液中,5000个循环之后其仍具有初始电容的90%,表明具有优异的电化学稳定性。
【关键词】：超级电容器 石墨烯 碳纳米管 热处理掺氮 过程控制 电化学性能
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM53
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstact7-12
• 第1章 绪论12-24
• 1.1 超级电容器简介12-15
• 1.1.1 超级电容器的原理及种类12-13
• 1.1.2 超级电容器的发展背景及优势13-14
• 1.1.3 超级电容器电极材料及分类14-15
• 1.2 石墨烯概述15-19
• 1.2.1 石墨烯的特性及制备15-16
• 1.2.2 石墨烯复合材料16-17
• 1.2.3 石墨烯的改性17-19
• 1.3 氮掺杂碳材料19-22
• 1.3.1 原位氮掺杂20-21
• 1.3.2 后处理法21-22
• 1.4 本课题的选题依据和研究内容22-24
• 第2章 三维多孔掺氮石墨烯片的制备及其超电容性能的研究24-38
• 2.1 前言24-25
• 2.2 实验部分25-28
• 2.2.1 实验药品25
• 2.2.2 实验仪器25-27
• 2.2.3 实验所需溶液27
• 2.2.4 电极材料的制备27
• 2.2.5 电极材料的结构表征27-28
• 2.2.6 电极材料的电化学性能测试28
• 2.3 结果与讨论28-37
• 2.3.1 电极材料形貌与表面孔径分布分析28-30
• 2.3.2 电极材料的结构和组成分析30-32
• 2.3.3 电极材料的电化学性能研究32-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第3章 不同升温程序对掺氮材料的影响及其超电容性能研究38-45
• 3.1 前言38-39
• 3.2 实验部分39-40
• 3.2.1 实验试剂39
• 3.2.2 实验仪器39
• 3.2.3 实验所需溶液39
• 3.2.4 电极材料的制备39-40
• 3.2.5 样品材料的结构表征40
• 3.2.6 样品材料的电化学性能测试40
• 3.3 结果与讨论40-43
• 3.3.1 电极材料形貌与结构分析40-42
• 3.3.2 电极材料的电化学性能研究42-43
• 3.4 本章小结43-45
• 第4章 改性CNTs/GO共掺氮复合材料的制备及其性能研究45-52
• 4.1 前言45-46
• 4.2 实验部分46-47
• 4.2.1 实验药品46
• 4.2.2 实验仪器46
• 4.2.3 实验所需溶液46
• 4.2.4 电极材料的制备46-47
• 4.2.5 样品材料的结构表征47
• 4.2.6 样品材料的电化学性能测试47
• 4.3 结果与讨论47-51
• 4.3.1 电极材料形貌与结构分析47-49
• 4.3.2 电极材料的电化学性能研究49-51
• 4.4 本章小结51-52
• 结论52-54
• 参考文献54-63
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录63-64
• 致谢64-65

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本文编号：867210