化学气相沉积法制备三维石墨烯及其结构与性能的研究
发布时间：2020-08-02 13:28
【摘要】：石墨烯由于具有高的比表面积、丰富的活性位点和优异的导电性能等,在电子和储能器件领域具有良好的应用前景,但其存在结构容易团聚、边缘利用率低等问题。因此,三维石墨烯一定程度上解决了这些问题,但是仍然存在孔径过大的问题。本文针对以上问题,利用静电纺丝技术制备PAN纤维前驱体,通过控制碳化工艺控制在纳米碳纤维表面形成径向取向的小尺寸石墨烯片,利用CVD法在纳米碳纤维表面进一步生长径向取向的大尺寸石墨烯片,获得了新型的三维石墨烯材料,改善了结构团聚,获得了较小的孔径,在超级电容器和铝离子电池中获得了良好的性能,主要研究工作和结果如下:通过控制碳化工艺在纳米碳纤维表面生长了径向取向的小尺寸石墨烯片,研究了碳化工艺参数的影响,测试了其电化学性能。随着碳化温度的升高,纤维表面石墨烯片逐渐形成并增多,同时纤维直径下降,1100℃时获得了良好的石墨烯结构。在1100℃下,研究了NH3流量对石墨烯结构的影响:随着NH3流量的增加,纤维直径下降,纤维表面石墨烯结构逐渐生成,并且石墨烯面密度增加。在NH3流量为180 mL/min时获得了分布均匀且面密度较高的石墨烯结构。在1100℃、NH3流量为180 mL/min时研究了碳化时间对石墨烯结构的影响:随着碳化时间的增加,纤维直径下降,纤维表面石墨烯面密度逐渐增加。在碳化2 h时获得了分布均匀且面密度较高的石墨烯结构,并且形成了具有径向取向的小尺寸石墨烯片。利用电化学工作站和LANHE电池测试系统进行测试,结果表明:所制备的石墨烯结构的纳米碳纤维具有优良的电化学性能。在水系三电极测试中获得375 F/g的电极比电容;在有机对称型超级电容器中可获得器件比电容为80 F/g,能量密度达到69.4 Wh/kg;在铝离子电池中获得电池初始比容量为78 mAh/g,能量密度达到42.6 Wh/kg,功率密度高达1704 W/kg,循环5000次后比容量保持在72mAh/g,库伦效率大于99%。利用CVD方法,以CH4-H2混合气氛作为生长气源,在纳米碳纤维表面生长了径向取向的石墨烯片,研究了工艺参数的影响,测试了其电化学性能。随着温度的升高,纤维表面石墨烯片高度增加,面密度增大,在1200℃时获得了结构良好的石墨烯片。在1200℃下,研究了CH4流量对石墨烯结构的影响:随着CH4流量的减少,纤维直径减小,纤维表面石墨烯片层数减少,并且石墨烯面密度增加。在CH4流量为18 mL/min时获得了分布均匀且面密度较高的少层石墨烯结构。在1100℃、CH4流量为18 mL/min时研究了生长时间对石墨烯片高度的影响:随着时间的增加,纤维表面石墨烯片高度逐渐增加。在生长12 h后获得了分布均匀的少层石墨烯结构,并且形成互相连接的多孔结构,石墨烯片层高度达100 nm左右。利用电化学工作站和LANHE电池测试系统进行测试,结果表明:所制备的石墨烯结构的纳米碳纤维具有优良的电化学性能,在铝离子电池中获得电池初始比容量为160 mAh/g,能量密度达到66.9 Wh/kg,功率密度高达2007 W/kg,循环3000次后比容量保持在128 mAh/g,库伦效率大于98%。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11
【图文】：
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文[34]人采用多孔 Al2O3陶瓷作为模板生产石墨烯管和多孔石墨烯/Al2O3复合材料，其表面电阻低至 0.11 Ω/sq[40]。这些高导电性的 3D 石墨烯架构可以作为理想的沉积无机材料和有机材料（如聚苯胺（PANI）[45]）的骨架，作为超级电容器和电池中的高性能电极。此外，这些石墨烯泡沫电极中杂原子（如 N、B、P）的掺杂可以提高其电导率和表面亲水性[46-48]。有效合成 3D 石墨烯材料的另一种途径是使用聚合物前驱体。a)b)
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文次，对于铝金属的电化学研究已经成熟很多[64]。早在 1855 年科学家 Hulot[65]就开创了首个铝电池的工作，此后便不再引起关注。这些电池类型的兴起得益于三个重要因素，首先，这类电池对安全性的要求表现在惰性材料的选择和一般环境下易于处理的试验方法。其次，铝每次氧化还原反应可以转移 3个电子，这意味着在相同转移电子数的情况下，铝的反应速率将是锂的三倍。最后，铝反应过程拥有比其他金属更高的体积容量，这是因为铝具有转移 3电子的能力。此后，铝电池向更小尺寸发展。铝的质量容量也比除了锂之外的金属要高。对于商业化进程来说，铝金属的单位能量的价格要低于其他金属。根据电解液不同，铝离子与电解液的结合方式不相同，发生的电化学反应也不尽相同，但大体上分为以下两种过程，如图 1-2 所示。
图 2-1 循环伏安法电势—时间变化曲线图001* *V VmVC idVs m V 量比电容（F/g）；描速度（mV/s）；性物质质量（g）；同电压下的电流强度；压变量。位法（CP）法是一种对电极施加恒定电流密度来研究材料的氧化试方法，如图 2-2 所示。附加恒电流充放电过程中，工作电极的电势逐渐发生原反应的发生。由于材料存在内阻，电势随时间变化化，充放电开始存在一定的电位跃迁。本论文利用计
本文编号：2778574
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11
【图文】：
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文[34]人采用多孔 Al2O3陶瓷作为模板生产石墨烯管和多孔石墨烯/Al2O3复合材料，其表面电阻低至 0.11 Ω/sq[40]。这些高导电性的 3D 石墨烯架构可以作为理想的沉积无机材料和有机材料（如聚苯胺（PANI）[45]）的骨架，作为超级电容器和电池中的高性能电极。此外，这些石墨烯泡沫电极中杂原子（如 N、B、P）的掺杂可以提高其电导率和表面亲水性[46-48]。有效合成 3D 石墨烯材料的另一种途径是使用聚合物前驱体。a)b)
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文次，对于铝金属的电化学研究已经成熟很多[64]。早在 1855 年科学家 Hulot[65]就开创了首个铝电池的工作，此后便不再引起关注。这些电池类型的兴起得益于三个重要因素，首先，这类电池对安全性的要求表现在惰性材料的选择和一般环境下易于处理的试验方法。其次，铝每次氧化还原反应可以转移 3个电子，这意味着在相同转移电子数的情况下，铝的反应速率将是锂的三倍。最后，铝反应过程拥有比其他金属更高的体积容量，这是因为铝具有转移 3电子的能力。此后，铝电池向更小尺寸发展。铝的质量容量也比除了锂之外的金属要高。对于商业化进程来说，铝金属的单位能量的价格要低于其他金属。根据电解液不同，铝离子与电解液的结合方式不相同，发生的电化学反应也不尽相同，但大体上分为以下两种过程，如图 1-2 所示。
图 2-1 循环伏安法电势—时间变化曲线图001* *V VmVC idVs m V 量比电容（F/g）；描速度（mV/s）；性物质质量（g）；同电压下的电流强度；压变量。位法（CP）法是一种对电极施加恒定电流密度来研究材料的氧化试方法，如图 2-2 所示。附加恒电流充放电过程中，工作电极的电势逐渐发生原反应的发生。由于材料存在内阻，电势随时间变化化，充放电开始存在一定的电位跃迁。本论文利用计
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 ;An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery[J];Science Foundation in China;2015年04期
本文编号：2778574
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