石墨烯基复合材料的制备及其在能源材料中的应用

发布时间：2017-07-02 06:05

  本文关键词：石墨烯基复合材料的制备及其在能源材料中的应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：石墨烯因具有较大的比表面积,优秀的机械强度和良好的导电性,推进了其在能源存储及转化、生物医药领域的应用及发展,也为石墨烯基复合材料的发展提供了新契机。而由石墨烯基复合材料构筑的多孔材料拥有更多优异的性能。石墨烯可以增强孔结构的稳定性、材料的导电性,多孔性能够促进电解液的浸润,缩短电子的传输路径。但目前的制备方法中,金属氧化物的生长以及孔径大小可控性很差,不能很好的发挥它们的优势。本论文主要采用两种策略：(1)选用了两种联接体--碳包覆和导电聚合物,用来强化金属氧化物纳米颗粒和石墨烯的粘结性,保护金属氧化物纳米颗粒以及调节它的均匀分布；(2)将复合材料构造成多孔材料,有针对性的控制孔的尺寸,来实现氧化物纳米颗粒的可控生长以及孔尺寸的有效控制。本文中还设计了不同的实验方案来实现材料的不同应用,并对这些复合材料进行表征以及性能的测试。具体研究内容如下：(1)三维有序大孔碳包覆四氧化三铁／石墨烯复合材料的制备。采用冰模板的方法,通过引入交联剂聚乙烯醇(PVA),将FeOOH/GO二维片层构筑成为三维有序大孔结构,热处理过程中PVA转变为碳,形成碳包覆结构。制备出的C-Fe3O4/G复合材料,三维大孔有序排列,不但能够促进电解液的扩散,缩短Li+的传递途径,还能够减小高电流密度下电极的极化；碳层可以有效的降低Li+的传输电阻,缓解Fe304纳米颗粒的体积膨胀。作为锂离子电池负极材料,C-Fe3O4/G(Fe304负载量为60%)在充放电过程中容量持续增长,电流密度为0.2Ag-1时,200圈后的可逆容量仍可达到1065 mAhg-1;甚至在8Ag-1的大电流下,容量仍能达到470 mA h g-1。(2)二维多孔氮掺杂碳石墨烯复合材料的制备。采用原位聚合的方法,引入导电聚合物聚苯胺,以聚苯胺-氧化石墨烯作为基底来生长SnO2,构建三元的二维纳米杂化材料。热处理之后用酸刻蚀掉金属颗粒,得到孔径均一且分布均匀的二维多孔氮掺杂碳／石墨烯复合材料。通过表征可知,制备材料有着丰富的介孔和微孔,能够提供更多的反应活性位点。作为燃料电池的阴极催化剂,表现出优异的氧还原性能。
【关键词】：石墨烯 金属氧化物 聚合物 锂离子电池 燃料电池
【学位授予单位】：上海应用技术学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TB33
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-23
• 1.1 石墨烯概述10-15
• 1.1.1 石墨烯的结构10-11
• 1.1.2 石墨烯的性质11-12
• 1.1.3 石墨烯的制备12-15
• 1.2 石墨烯基材料15-17
• 1.2.1 石墨烯—无机纳米复合材料15-16
• 1.2.2 石墨烯—聚合物复合材料16-17
• 1.2.3 多孔石墨烯材料17
• 1.3 性能及其应用17-21
• 1.3.1 锂离子电池17-19
• 1.3.2 燃料电池催化剂19-21
• 1.4 本文研究思路及研究内容21-23
• 1.4.1 选题背景21
• 1.4.2 研究策略21-23
• 第二章 实验部分23-28
• 2.1 实验材料与设备23-24
• 2.2 材料结构表征24-25
• 2.3 材料性能表征25-28
• 2.3.1 电池组装和电化学性能表征25-26
• 2.3.2 氧还原催化剂的配制和催化性能表征26-28
• 第三章 三维有序大孔碳包覆四氧化三铁/石墨烯复合材料及其锂电性能研究28-40
• 3.1 引言28
• 3.2 C-Fe_3O_4/G复合材料的设计28-29
• 3.3 C-Fe_3O_4/G复合材料的制备29-30
• 3.3.1 氧化石墨烯的制备29
• 3.3.2 C-Fe_3O_4/G复合材料的制备29-30
• 3.4 C-Fe_3O_G复合材料的结构表征30-34
• 3.4.1 形貌表征30-32
• 3.4.2 热重分析32-33
• 3.4.3 晶相分析33
• 3.4.4 比表面积分析33-34
• 3.5 C-Fe_3O_4/G复合材料的电化学性能研究34-39
• 3.5.1 循环伏安分析34-35
• 3.5.2 充放电特性分析35
• 3.5.3 循环性能和倍率性能35-37
• 3.5.4 阻抗分析37-38
• 3.5.5 结果与讨论38-39
• 3.6 本章小结39-40
• 第四章 二维多孔氮掺杂碳/石墨烯复合材料及其氧还原性能研究40-49
• 4.1 引言40
• 4.2 M-NCG复合材料的设计40-41
• 4.3 M-NCG复合材料的制备41-42
• 4.3.1 氧化石墨烯的制备41
• 4.3.2 M-NCG复合材料的制备41-42
• 4.4 M-NCG复合材料的结构表征42-46
• 4.4.1 形貌表征42-43
• 4.4.2 晶相分析43-44
• 4.4.3 热重分析44
• 4.4.4 比表面积分析44-45
• 4.4.5 XPS结果分析45-46
• 4.5 M-NCG复合材料的氧还原催化性能表征46-48
• 4.6 本章小结48-49
• 第五章 本文总结与展望49-50
• 5.1 本文总结49
• 5.2 展望49-50
• 参考文献50-61
• 致谢61-62
• 攻读学位期间所开展的科研项目和发表的学术论文62-63

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