三维碳材料组装、掺杂及其用于能量存储与转换

发布时间：2018-03-07 17:07

  本文选题：富勒烯　切入点：石墨烯　出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：新型碳纳米材料一直是人们的研究热点。新型纳米碳材料有许多种,而由sp2杂化轨道碳如富勒烯,碳纳米管和石墨烯为基元制备的新型纳米碳更是研究的热点。这是由于这些纳米基元构成的碳的导电性非常好,同时还具有许多其他的优异特性。在对新型纳米碳的制备过程中,除了组装各类sp2基元碳,还对材料进行掺杂,引入缺陷,通过活化增加其比表面积和调控孔径分布,最终制备的新型碳在能量存储如超级电容器和锂离子电池中有非常好的电化学性能。我们首先通过石墨烯组装石墨纸,这一组装是通过对氧化石墨烯膜进行退火还原实现的。石墨纸具有类似石墨的结构,同时密度较低,并且其产量可以达到大规模工业生产的要求,尺寸可达至少20×20 cm2的大小,同时厚度可以调节。石墨纸具有高碳纯度,良好的热稳定性,优良的导电性和良好的导热性,并能将电能转化为光能,即热致发光。我们进一步通过活化石墨烯制备三维碳,这一过程中涉及到以海绵为模板,并通过KOH活化最终制备三维多孔碳。同时,我们还通过活化富勒烯制备了新型纳米碳,其中使用过量的KOH活化富勒烯时能够制备碳量子点,而适量的KOH则会制备出三维多孔碳,其比表面积较大且微孔占大部分。并且对这一多孔碳进一步在活化过程中通入氨气以对其进行有效的氮掺杂,同时通过实验参数的控制可以有效的调控掺氮量。上述这些三维碳在能量存储领域如超级电容器及锂离子电池中都具有非常优异的电化学性能。
[Abstract]:New carbon nanomaterials have always been the focus of research. There are many kinds of new carbon nano-materials, and sp2 hybrid orbital carbon such as fullerene, Carbon nanotubes and graphene as the basis for the preparation of new carbon nanoparticles are the focus of research. This is because the carbon made of these nano-units is very good electrical conductivity. It also has many other excellent properties. In addition to assembling all kinds of sp2 elementary carbon, the materials are doped with defects, and their specific surface area is increased and pore size distribution is regulated by activation. The resulting new carbon has excellent electrochemical properties in energy storage such as supercapacitors and lithium-ion batteries. We first assemble graphite paper from graphene. This assembly is achieved by annealing reduction of graphene oxide film. Graphite paper has graphite-like structure and low density, and its output can meet the requirements of large-scale industrial production, with a size of at least 20 脳 20 cm2. At the same time, the thickness can be adjusted. Graphite paper has high carbon purity, good thermal stability, excellent electrical conductivity and good thermal conductivity, and can convert electric energy into light energy, that is, thermally luminescent. This process involves the preparation of three-dimensional porous carbon using sponge as template and KOH activation. At the same time, we have also prepared new nano-carbon by activating fullerenes, in which carbon quantum dots can be prepared by using excessive KOH to activate fullerenes. However, a proper amount of KOH can produce three-dimensional porous carbon, which has a large specific surface area and a large proportion of micropores. Furthermore, ammonia gas is added to the porous carbon in the process of activation to effectively doped it with nitrogen. These three dimensional carbon have excellent electrochemical performance in energy storage fields such as supercapacitors and lithium-ion batteries.
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ127.11

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本文编号：1580184