氮摻雜石墨烯的化學(xué)選擇性合成及其電化學(xué)儲(chǔ)能和催化性質(zhì)研究.pdf

1、石墨烯作為一種獨(dú)特的二維材料，具有高比表面積(2600m2g-1)、高電導(dǎo)率、優(yōu)異的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在能源存儲(chǔ)及轉(zhuǎn)化方面具有極大的應(yīng)用前景。但石墨烯片之間非常強(qiáng)的π-π相互作用促使片間堆疊，從而使比表面積降低，導(dǎo)致性能下降。在眾多改性石墨烯的方法中，氮原子摻雜一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。但目前摻雜方法通常需要高溫高壓等嚴(yán)苛的條件，制備成本比較高，并且難以精準(zhǔn)地控制氮原子摻雜的類型與含量。與此同時(shí)，構(gòu)筑石墨烯三維結(jié)構(gòu)也是一種避免石墨

2、烯片堆疊的方法，但目前通常使用模板法制備，過(guò)程繁瑣，獲得的三維石墨烯的電導(dǎo)率也較低。本文中，我們旨在溫和條件下通過(guò)特定的化學(xué)反應(yīng)合成氮摻雜石墨烯，調(diào)控其中摻雜氮原子的類型與含量，獲得高性能的氮摻雜石墨烯材料，并詳細(xì)研究其電化學(xué)性能。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1、以氨基胍為還原劑，通過(guò)氨基胍與氧化石墨烯(GO)中α，β-不飽和酮的選擇性成環(huán)反應(yīng)，在溫和條件下(60℃)合成了富含吡唑環(huán)結(jié)構(gòu)的氮摻雜石墨烯(PNG)，氮含量高達(dá)9.6wt％

3、。該P(yáng)NG材料展現(xiàn)出了優(yōu)異的電容和電催化活性。在酸性電解質(zhì)中，PNG超級(jí)電容器可達(dá)到226F g-1的比電容，30.3Wh kg-1的能量密度和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。在中性電解質(zhì)下，PNG超級(jí)電容器可以在高達(dá)1.4V的電壓下運(yùn)行，并且可提供35.8Wh kg-1的高能量密度。同時(shí)，作為堿性溶液中析氧反應(yīng)(OER)的電催化劑，PNG僅需要394mV的過(guò)電勢(shì)便可達(dá)到20mA cm-2的電流密度，并在16h內(nèi)保持穩(wěn)定。PNG的OER催化活性和穩(wěn)定

4、性優(yōu)于貴金屬基催化劑IrO2。這些出色的性能使PNG成為超級(jí)電容器和電催化析氧反應(yīng)的雙功能活性材料。
　　2、將氮原子摻雜與構(gòu)筑三維結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)三步法制備了柔性三維氮摻雜石墨烯泡沫。1）首先以1，3-二氨基胍為還原劑，合成了具有吡唑環(huán)結(jié)構(gòu)及高比電容性質(zhì)的氮摻雜石墨烯片(NG);2)然后，結(jié)合抽濾和冷凍干燥的方法將NG組裝形成氮摻雜石墨烯泡沫(NGM);3)最后，通過(guò)微波處理NGM以提高其電導(dǎo)率，得到微波處理后具有獨(dú)特的微囊狀

5、片層結(jié)構(gòu)的氮摻雜石墨烯泡沫(M-NGM)。M-NGM具有三維分層多孔結(jié)構(gòu)、高氮含量(6.6wt％)和高導(dǎo)電率(15S cm-1)等優(yōu)點(diǎn)，且M-NGM柔性電極在不使用集流器的情況下便可組裝成超級(jí)電容器，可提供364F g-1的高比電容及894mF cm-2的面電容值，12.2Wh kg-1的能量密度。再加上良好的循環(huán)穩(wěn)定性（10000次GCD循環(huán)后電容保持率為100％）和機(jī)械穩(wěn)定性（500次彎曲循環(huán)后電容保持率為97％），M-NGM柔性超