多孔石墨烯及MXene基锂硫电池正极材料的制备及性能研究
发布时间：2021-06-26 08:55
锂硫电池具有较高的理论比容量(1675 mAh g-1)和能量密度(2600 Wh kg-1),被认为是有前途的下一代可充电电池系统,但其正极活性材料（硫）较差的导电性、电极反应中缓慢的氧化还原动力学、电极间严重的“穿梭效应”等问题阻碍其进一步的性能提升。合理设计及构建的正极材料被认为是解决锂硫电池系统上述问题的关键。作为新型的二维材料,石墨烯和MXenes由于其可控的合成方法、优异的电导率、可调控的功能化表面官能团等特性,被广泛应用于电化学能源存储与转换领域。由于二维材料中的范德华力和?-?相互作用引起不可避免的片层堆积,因此其质量能量密度较低、倍率性能受限。鉴于此,本文通过自组装、物理活化、化学造孔等方法构建四种石墨烯和MXene基三维多孔材料,并研究其作为硫宿主展现的电化学性能。详细的研究内容、结果、讨论归纳为以下几个方面:通过一步水热法合成高比表面积(740 m2 g-1)和孔体积(1.39 cm3 g-1)的氮掺杂石墨烯纳米带/碳纳米管复合气凝胶...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：122 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
(a)锂硫电池工作示意图;(b)锂硫电池在有机电解液中充放电曲线及对应形成的化合物;(c)充电机理示意图
?热鏢c、Ti、Zr、V、Nb、Cr或Mo，A通常代表第三主族和第四主族化学元素，X代表C或N元素[17]。根据近年来的报道，石墨烯和MXenes材料展现出高比表面积、良好的电导率、可调控的功能化表面、丰富的电化学活性位点、较强的多硫化物吸附能力等特性[18]，因而被广泛应用在能源存储与转换领域[19,20]。1.3.1石墨烯和MXenes衍生多孔材料的制备方法目前为止，研究人员利用机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法、化学气相沉积法、液相自组装等方式制备零维、一维、二维和三维的石墨烯衍生材料[21,22]，以满足不同应用领域的需求（图1-2）。氧化还原法工艺简单易行，且得到的石墨烯分散液能够稳定保存，因而被广泛应用于实验室中。MXenes材料表面有羟基或末端氧，能够分散在溶剂中并进行表面修饰改性，这使得一部分制备石墨烯衍生多孔材料的方法同样适用于MXenes[23]。图1-2石墨烯的组装和合成示意图Figure1-2Synthesisandassemblyofgraphene[22].为进一步满足新一代电化学能源体系对材料提出的要求（高能量密度、功率密度、循环稳定性及规模化生产），科研人员发展多种制备石墨烯和MXenes衍生多孔材料的方法：交联法、物理活化法、化学活化法及模板诱导法。1.3.1.1交联法交联法操作简便，能源消耗小，是制备石墨烯和MXenes衍生多孔材料的主要方法[24]。通过石墨烯及MXenes片层之间的相互作用（疏水相互作用、氢键作用、离子络合交联作用、偶极相互作用和静电相互作用），驱动片层自组装形成三维多孔结构[2527]47。溶剂热法是一种常见的制备石墨烯和MXenes衍生多孔材料的方法。Fang等人[28]将石墨烯氧化物纳米片在水热条件下进行自组装，得到石墨烯凝胶块（图1-3（a））。此外，图1-3（b）中展示通过石墨烯氧化物片层之间的氢键和堆积
燕山大学工学博士学位论文-6-作用为驱动力，同样能够形成具有三维交联孔结构的气凝胶材料[29]。该材料具有较高的比表面积（830m2g1），展现良好的电化学电容性能（223Fg1，0.2Ag1）和二氧化碳吸附性能（11.3wt%，273K）。Hu课题组[30]将石墨烯氧化物和碳纳米管通过水热反应进行自组装，形成具有相互连通开放孔结构和三维导电框架的多孔材料。开放孔道有利于电解液的扩散浸润，三维导电框架有利于电子在电极材料内部快速传输，该材料在锂硫电池体系中展现优异的电化学性能。图1-3(a)CGA的合成示意图;(b)NGA在不同放大倍率下的SEM和TEM图,插图为NGA的电子图像Figure1-3(a)Syntheticpattern(upper)andprocedures(nether)ofCGA[28];(b)SEMandTEMimagesofnitrogen-dopedgrapheneaerogelatdifferentmagnifications,Inset:adigitalphotooftheNGA[29].图1-4MXene、rGO和MXene-rGO多孔膜的制备流程示意图Figure1-4SchematicillustrationofthefabricationoftheMXene,rGOandMXene-rGOfilms[33].根据此前的报道，MXenes展现出与石墨烯类似的功能化表面（含有大量羟基亲水基团），因此研究人员参考交联石墨烯的方法制备出一系列MXenes衍生多孔材料[31,32]67。如图1-4所示，Liu等人[33]利用NH4HCO3水解的NH4+离子，通过静电作用形成Ti3C2GO杂化微团簇，最终经过真空抽滤脱水、热处理后得到Ti3C2rGO多
【参考文献】：
期刊论文
[1]二维晶体MXene的制备与性能研究进展[J]. 李正阳,周爱国,王李波,孙丹丹. 硅酸盐通报. 2013(08)
[2]高比能锂硫电池关键材料的研究[J]. 王维坤,余仲宝,苑克国,王安邦,杨裕生. 化学进展. 2011(Z1)
[3]石墨烯的功能化及其相关应用[J]. 黄毅,陈永胜. 中国科学（B辑:化学）. 2009(09)
[4]氧化石墨烯及其与聚合物的复合[J]. 杨永岗,陈成猛,温月芳,杨全红,王茂章. 新型炭材料. 2008(03)
本文编号：3251039
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：122 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
(a)锂硫电池工作示意图;(b)锂硫电池在有机电解液中充放电曲线及对应形成的化合物;(c)充电机理示意图
?热鏢c、Ti、Zr、V、Nb、Cr或Mo，A通常代表第三主族和第四主族化学元素，X代表C或N元素[17]。根据近年来的报道，石墨烯和MXenes材料展现出高比表面积、良好的电导率、可调控的功能化表面、丰富的电化学活性位点、较强的多硫化物吸附能力等特性[18]，因而被广泛应用在能源存储与转换领域[19,20]。1.3.1石墨烯和MXenes衍生多孔材料的制备方法目前为止，研究人员利用机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法、化学气相沉积法、液相自组装等方式制备零维、一维、二维和三维的石墨烯衍生材料[21,22]，以满足不同应用领域的需求（图1-2）。氧化还原法工艺简单易行，且得到的石墨烯分散液能够稳定保存，因而被广泛应用于实验室中。MXenes材料表面有羟基或末端氧，能够分散在溶剂中并进行表面修饰改性，这使得一部分制备石墨烯衍生多孔材料的方法同样适用于MXenes[23]。图1-2石墨烯的组装和合成示意图Figure1-2Synthesisandassemblyofgraphene[22].为进一步满足新一代电化学能源体系对材料提出的要求（高能量密度、功率密度、循环稳定性及规模化生产），科研人员发展多种制备石墨烯和MXenes衍生多孔材料的方法：交联法、物理活化法、化学活化法及模板诱导法。1.3.1.1交联法交联法操作简便，能源消耗小，是制备石墨烯和MXenes衍生多孔材料的主要方法[24]。通过石墨烯及MXenes片层之间的相互作用（疏水相互作用、氢键作用、离子络合交联作用、偶极相互作用和静电相互作用），驱动片层自组装形成三维多孔结构[2527]47。溶剂热法是一种常见的制备石墨烯和MXenes衍生多孔材料的方法。Fang等人[28]将石墨烯氧化物纳米片在水热条件下进行自组装，得到石墨烯凝胶块（图1-3（a））。此外，图1-3（b）中展示通过石墨烯氧化物片层之间的氢键和堆积
燕山大学工学博士学位论文-6-作用为驱动力，同样能够形成具有三维交联孔结构的气凝胶材料[29]。该材料具有较高的比表面积（830m2g1），展现良好的电化学电容性能（223Fg1，0.2Ag1）和二氧化碳吸附性能（11.3wt%，273K）。Hu课题组[30]将石墨烯氧化物和碳纳米管通过水热反应进行自组装，形成具有相互连通开放孔结构和三维导电框架的多孔材料。开放孔道有利于电解液的扩散浸润，三维导电框架有利于电子在电极材料内部快速传输，该材料在锂硫电池体系中展现优异的电化学性能。图1-3(a)CGA的合成示意图;(b)NGA在不同放大倍率下的SEM和TEM图,插图为NGA的电子图像Figure1-3(a)Syntheticpattern(upper)andprocedures(nether)ofCGA[28];(b)SEMandTEMimagesofnitrogen-dopedgrapheneaerogelatdifferentmagnifications,Inset:adigitalphotooftheNGA[29].图1-4MXene、rGO和MXene-rGO多孔膜的制备流程示意图Figure1-4SchematicillustrationofthefabricationoftheMXene,rGOandMXene-rGOfilms[33].根据此前的报道，MXenes展现出与石墨烯类似的功能化表面（含有大量羟基亲水基团），因此研究人员参考交联石墨烯的方法制备出一系列MXenes衍生多孔材料[31,32]67。如图1-4所示，Liu等人[33]利用NH4HCO3水解的NH4+离子，通过静电作用形成Ti3C2GO杂化微团簇，最终经过真空抽滤脱水、热处理后得到Ti3C2rGO多
【参考文献】：
期刊论文
[1]二维晶体MXene的制备与性能研究进展[J]. 李正阳,周爱国,王李波,孙丹丹. 硅酸盐通报. 2013(08)
[2]高比能锂硫电池关键材料的研究[J]. 王维坤,余仲宝,苑克国,王安邦,杨裕生. 化学进展. 2011(Z1)
[3]石墨烯的功能化及其相关应用[J]. 黄毅,陈永胜. 中国科学（B辑:化学）. 2009(09)
[4]氧化石墨烯及其与聚合物的复合[J]. 杨永岗,陈成猛,温月芳,杨全红,王茂章. 新型炭材料. 2008(03)
本文编号：3251039
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