新型碳材料的制备及其在锂离子电池负极材料和氧还原电催化剂中的应用

发布时间：2017-08-19 09:07

  本文关键词：新型碳材料的制备及其在锂离子电池负极材料和氧还原电催化剂中的应用

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【摘要】：新型碳材料因其具有特殊的纳米结构、优异的导电性和良好的电化学性能而在能源转换和存储领域表现出巨大的应用潜力。目前,作为具有综合性能最好的储能电池体系锂离子电池和清洁、高效的能源转换器件燃料电池,成为了解决二十一世纪人类所面临的能源短缺和环境恶化问题的关键技术。因此,本论文旨在研究新型碳材料在锂离子电池负极材料和燃料电池阴极氧还原电催化材料中的应用,其主要的研究内容及结果如下:(1)制备了碘掺杂石墨烯并研究了其在锂离子电池负极材料中的应用。通过采用简Hummer’s法制备出氧化石墨,然后再在高温裂解还原的同时掺入碘元素来制备碘掺杂的石墨烯。采用X-射线粉末衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)、拉曼光谱(Raman)、X-射线光电子能谱(XPS)技术对产物的结构、形貌和元素组成进行表征。将此材料做成扣式电池进行半电池表征,当电流密度为100 mA/g时,碘掺杂石墨烯的可逆比容量高达1690 mAh/g(为掺杂前石墨烯的2.85倍,为商业石墨的4.54倍);碘掺杂石墨烯表现出优异的循环稳定性,其可逆比容量在循环200次后依然保持了92.6%;该碘掺杂石墨烯具有非常突出的倍率性能,在25000 mA/g的超大电流密度下,其可逆比容量仍具有153 mAh/g,是未掺杂石墨烯的二倍。碘掺杂石墨烯表现出如此卓越的电化学性能主要是由于将碘元素引入到石墨烯中,改变了石墨烯的层间距、基体缺陷以及电负性。(2)制备了碘/氮共掺杂石墨烯并研究了其在燃料电池阴极氧还原非贵金属催化剂中的应用。以氧化石墨为碳前驱体,以单质碘和氨气分别作为碘源和氮源,采用二步热处理法制备得到碘/氮共掺杂的石墨烯。相比未掺杂的石墨烯、碘掺杂石墨烯和氮掺杂石墨烯,该碘/氮共掺杂石墨烯催化剂在碱性和酸性条件下都表现出更优异的氧还原催化活性;在碱性介质中,该碘/氮共掺杂石墨烯催化剂具有与商业Pt/C催化剂相同的起始电位(0.945V vs.RHE);此外,在碱性和酸性介质中,该催化剂具有较高的催化效率(按四电子反应机制进行)和突出的稳定性(优于商业Pt/C催化剂)。碘/氮共掺杂石墨烯卓越的氧还原电催化性能主要归因于碘和氮两种元素之间的协同效应。(3)研究了不同的氮源和氮处理顺序对氮掺杂碳材料电催化氧还原性能的影响。本研究采用廉价的阳离子交换树脂D113经1100°C高温催化石墨化形成的石墨化碳材料作为碳源,选用甘氨酸和NH3作为不同的氮源,经过高温后处理掺氮法制备得到氮掺杂石墨化碳材料。研究发现,通过改变氮源和掺氮顺序可以有效改变氮掺杂碳材料的无序化程度、掺氮总量以及掺氮类型。实验结果表明,当采用甘氨酸作为氮源时,可以有效提高石墨化碳材料的含氮量但对基体的无序化程度没有影响;而当采用NH3作为氮源时,不能对石墨化碳材料进行掺氮但可以增加基体缺陷。结果显示,只有将石墨化碳材料基体先经甘氨酸900°C氮掺杂,再在NH3中900°C进一步热处理所得到的催化剂具有最好的氧还原电催化性能。
【关键词】：石墨烯 掺杂 锂离子电池 负极材料 氧还原 催化
【学位授予单位】：暨南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O613.71;TM912
【目录】：

• 摘要2-4
• ABSTRACT4-9
• 第一章 绪论9-26
• 1.1 概述9
• 1.2 锂离子电池9-15
• 1.2.1 锂离子电池简介9-12
• 1.2.2 锂离子电池负极材料研究进展12-15
• 1.3 燃料电池15-24
• 1.3.1 燃料电池简介15-18
• 1.3.2 阴极氧还原催化机理18-20
• 1.3.3 阴极氧还原电催化剂研究进展20-24
• 1.4 本课题的研究内容和意义24-26
• 1.4.1 研究内容24-25
• 1.4.2 研究意义25-26
• 第二章 实验方法、仪器、试剂药品和表征方法26-33
• 2.1 实验材料和仪器设备26-27
• 2.2 碳材料的形貌与结构的表征方法27-29
• 2.2.1 X-射线粉末衍射分析 （XRD）27-28
• 2.2.2 透射电子显微镜（TEM、HRTEM）28
• 2.2.3 拉曼光谱分析 （Raman）28
• 2.2.4 X-射线光电子能谱 （XPS）28-29
• 2.3 锂离子电池组装及性能表征方法29-30
• 2.3.1 负极片的制备和扣式电池的组装29
• 2.3.2 电化学性能测试方法29-30
• 2.4 电催化氧还原电极制备及性能表征方法30-33
• 2.4.1 电极的制备30-31
• 2.4.2 催化剂的电化学性能表征31-33
• 第三章 碘掺杂石墨烯的制备及其在锂离子电池负极材料中的应用33-43
• 3.1 引言33-34
• 3.2 实验部分34
• 3.2.1 碘掺杂石墨烯的制备34
• 3.3 实验结果与讨论34-42
• 3.3.1 XRD和Raman表征34-36
• 3.3.2 TEM和HRTEM分析36-37
• 3.3.3 XPS元素分析37
• 3.3.4 碘掺杂石墨烯的锂电性能表征37-42
• 3.4 结论42-43
• 第四章 碘/氮共掺杂石墨烯的制备及其电催化氧还原性能研究43-60
• 4.1 引言43-44
• 4.2 实验部分44-45
• 4.2.1 催化剂的制备44-45
• 4.3 实验结果与讨论45-59
• 4.3.1 XRD和Raman表征45-46
• 4.3.2 TEM表征46-47
• 4.3.3 EDS和XPS元素分析47-50
• 4.3.4 催化剂的电化学性能表征（ORR）50-58
• 4.3.5 讨论58-59
• 4.4 结论59-60
• 第五章 不同的氮源和氮处理顺序对氮掺杂碳材料电催化氧还原性能的影响研究60-74
• 5.1 引言60-61
• 5.2 实验部分61-62
• 5.2.1 催化剂的制备61-62
• 5.3 催化剂的表征和分析62-73
• 5.3.1 TEM和HRTEM表征62
• 5.3.2 Raman表征62-64
• 5.3.3 XPS元素分析64-66
• 5.3.4 催化剂的电化学性能表征（ORR）66-72
• 5.3.5 讨论72-73
• 5.4 结论73-74
• 第六章 结论与展望74-76
• 6.1 研究结论74-75
• 6.2 研究展望75-76
• 参考文献76-91
• 攻读硕士期间取得的科研成果91-93
• 致谢93

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本文编号：699832