三维石墨烯基多孔复合材料的制备及其电化学性能研究

发布时间：2017-08-04 18:11

  本文关键词：三维石墨烯基多孔复合材料的制备及其电化学性能研究

  更多相关文章： 三维石墨烯气凝胶 多孔碳材料 超级电容器 锂离子电池

【摘要】：石墨烯因具有超高的比表面积、导电性和化学稳定性,被认为是新一代的碳材料,在光电、能源、生物和环境等领域有着诱人的应用前景。但是由于石墨烯片之间的π-π堆叠严重,单层的石墨烯很难独立存在,这极大程度地限制其实际应用。因此,以石墨烯片层为构筑单元,制备具有三维骨架块体材料如石墨烯纸、气凝胶、泡沫等,不但可以有效避免石墨烯片之间的堆叠和团聚,而且能够为载流子传输提供高度互穿的三维孔道。这种相互交联的大孔结构将有利于其在能源存储器件中的应用。本论文以氧化石墨烯作为原料,采用水热自组装或高温聚合的方法制备具有三维大孔结构的石墨烯基多孔复合材料,考察了多孔复合材料在超级电容器和锂离子电池负极材料方面的性能。论文主要内容如下：(1)以三维石墨烯气凝胶基氮掺杂多孔碳作为电极材料,研究作为超级电容器电极材料的电化学性能。这项研究中,三维石墨烯气凝胶—氧化石墨烯通过水热还原反应,脱去部分含氧官能团,在石墨烯π-π作用力下自组装成三维石墨烯气凝胶(GA)。我们利用GA为模板,通过与间苯二胺在催化剂的作用下高温聚合反应,得到在三维石墨烯基多孔碳复合材料。该复合材料不仅保持了三维大孔结构,并且具有高含氮量和高比表面积：通过三电极体系电化学性能测试发现该复合材料在0.1Ag-1的电流密度下具有608.3F g-1的高比电容量,并且在5Ag-1下循环10000圈之后仍保持100%的比电容量,具有极高的稳定性。同时,为了实现该复合材料在柔性储能器件上的应用以及提高储能器件的能量密度(E),我们将其组装成柔固态对称的超级电容器,在0.2 Ag-1下具有138 Fg-1比电容量,在5 Ag-1的电流密度下循环10000圈充放电后仍能保留92%的比电容量。柔性固态超级电容器不仅表现出高的能量密度(12.4 Wh K g-1)而且还具有超高的功率密度 (2432 W Kg-1)。(2)采用预先生长氢氧化钴纳米颗粒的氧化石墨烯二维片作为构筑单元,通过水热组装的方式得到了具有三维大孔结构的四氧化三钴／石墨烯复合材料(Co3O4/GFs)。作为锂离子电池负极材料,其中Co3O4/GF-3复合材料在0.1 Ag-1的电流密度充放下,循环100圈之后容量还稳定在1148mAhg-1。在大电流5Ag-1的充放下,容量还有600 mAhg-1。这些优异的电化学性能得益于该材料具有较大比表面积的多级孔的三维石墨烯结构,C0304纳米颗粒可以均匀分散在石墨烯骨架表面上,缓解C0304的体积膨胀效应,并且三维大孔结构的石墨烯不但可以有效改善自身的π-π堆叠效应,而且同时可以使C0304纳米颗粒与电解质充分接触,更有利于锂离子和电子的传输。
【关键词】：三维石墨烯气凝胶 多孔碳材料 超级电容器 锂离子电池
【学位授予单位】：上海应用技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;O646
【目录】：

• 摘要5-7
• abstract7-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 石墨烯概述11-15
• 1.1.1 石墨烯结构11
• 1.1.2 石墨烯性质11-12
• 1.1.3 石墨烯制备12-15
• 1.2 三维石墨烯基多孔复合材料概述15-16
• 1.3 三维石墨烯基多孔复合材料的电化学性能应用16-23
• 1.3.1 超级电容器16-17
• 1.3.2 三维石墨烯基多孔复合材料在超级电容器方面的应用研究17-19
• 1.3.3 锂离子电池19-21
• 1.3.4 三维石墨烯基多孔复合材料在锂电方面的应用21-23
• 1.4 论文主要研究内容23-25
• 第2章 NPC-GAs复合材料的制备及其电化学性能研究25-45
• 2.1 实验试剂与仪器25-26
• 2.1.1 实验试剂25-26
• 2.1.2 实验仪器26
• 2.2 NPC-GAs复合材料的制备26-29
• 2.2.1 氧化石墨烯的制备26-27
• 2.2.2 石墨烯气凝胶(GAs)的制备27-28
• 2.2.3 NPC-GAs复合材料复合材料的制备28-29
• 2.3 不同电极材料的制备和电容器的组装及测试29-31
• 2.3.1 三电极电容器电极材料的制备和组装及测试29
• 2.3.2 两电极全固态柔性电容器电极材料的制备和组装及测试29-31
• 2.4 结果与讨论31-43
• 2.4.1 GO的结构表征31-33
• 2.4.2 GA微观结构形貌表征33-34
• 2.4.3 NPC-GAs复合材料结构表征34-37
• 2.4.4 GA和NPC-GAs复合材料的三电极电容器电化学性能测试及分析37-41
• 2.4.5 NPC-GA-2复合材料的柔性全固态超级电容器电化学性能测试及分析41-43
• 2.5 本章小结43-45
• 第3章 三维大孔结构四氧化三钴/石墨烯复合材料制备及电化学性能研究45-56
• 3.1 实验试剂与仪器45-46
• 3.1.1 实验试剂45
• 3.1.2 实验仪器45-46
• 3.2 实验部分46-54
• 3.2.1 Co_3O_4/GFs复合材料的制备46-47
• 3.2.2 Co_3O_4/GFs复合材料的结构表征47-51
• 3.2.3 Co_3O_4/GFs复合材料的电化学性能表征51-54
• 3.3 本章小结54-56
• 第4章 结论与展望56-58
• 4.1 结论56-57
• 4.2 展望57-58
• 参考文献58-67
• 致谢67-69
• 攻读学位期间所开展的科研项目和发表的学术论文69

，

本文编号：620971