石墨烯-COF復(fù)合材料制備及其超電容性能研究.pdf

1、超級電容器具有循環(huán)壽命長、比電容和高充放電效率及較高輸出功率等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有巨大應(yīng)用市場的新型儲能元件。目前高性能超級電容電極材料受到人們的廣泛關(guān)注和研究。蒽醌是一種重要的可發(fā)生氧化還原反應(yīng)的有機(jī)物，它具有工作電壓窗口較寬、溫度范圍寬、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可用來制備電極材料，但是蒽醌較差的導(dǎo)電性使得其在電極材料方面的利用受到了限制。為了改善蒽醌的導(dǎo)電性，將蒽醌與導(dǎo)電性好的傳統(tǒng)電極材料碳材料進(jìn)行復(fù)合成為了研究的焦點(diǎn)。
　　固體表面化學(xué)反

2、應(yīng)是“自下而上”構(gòu)筑特定分子及納米結(jié)構(gòu)的有效策略，共價(jià)有機(jī)二維網(wǎng)格材料是通過在固體表面原位發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成共價(jià)鍵的原理制備的，不同于鹵鍵、氫鍵等弱作用力在固體表面所構(gòu)筑的納米結(jié)構(gòu)，能夠有效地克服鹵鍵、氫鍵等弱作用力構(gòu)筑的納米結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差的困擾，使得“自下而上”方法構(gòu)筑較為穩(wěn)定的超級電容電極材料成為可能。
　　本文通過席夫堿反應(yīng)將蒽醌單體引入共價(jià)有機(jī)二維網(wǎng)格（Covalent Organic Frameworks,COFs），并以

3、非共價(jià)形式與三維石墨烯復(fù)合，共價(jià)有機(jī)二維網(wǎng)格自身較大的孔徑可以使得蒽醌基團(tuán)與電解液有充分的接觸，同時(shí)借助三維石墨烯的良好導(dǎo)電性，使得蒽醌基團(tuán)導(dǎo)電性較差的問題得到了改善。
　　本文所制備的共價(jià)有機(jī)二維網(wǎng)格材料是由2,6-二氨基蒽醌和均苯三甲醛兩種反應(yīng)單體通過席夫堿反應(yīng)制備而成，采用掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、X射線光電子能譜等為主要手段，探索了制備該共價(jià)有機(jī)二維網(wǎng)格的反應(yīng)條件和分析了材料的表面形態(tài)；利用循環(huán)伏安、恒流充放電研究了該

4、共價(jià)有機(jī)二維網(wǎng)格材料的超電容性能，并對恒流充放電機(jī)理進(jìn)行了分析。
　　在較低溫度（140℃）制備的復(fù)合電極材料具有無定形聚合物的特征，沒有觀察到較為完整的網(wǎng)格，在較高的反應(yīng)溫度（205℃）下制備的共價(jià)有機(jī)二維網(wǎng)格材料呈現(xiàn)較好的連續(xù)性，并且覆蓋度達(dá)90％以上，說明溫度對固體表面席夫堿反應(yīng)具有重要影響。在-0.4~-1.05V(vs. Ag/AgCl)窗口內(nèi)，1M KOH電解液中進(jìn)行循環(huán)伏安曲線和恒流充放電曲線測試，在20mv/s掃速

5、時(shí)，石墨烯/共價(jià)有機(jī)二維網(wǎng)格復(fù)合電極材料氧化峰在-0.769V，還原峰在-0.888V；在2A g-1電流密度時(shí)，比電容高達(dá)128F g-1，其中2,6-二氨基蒽醌的利用率高達(dá)13.45%。在2000次恒流充放電測試中，石墨烯/共價(jià)有機(jī)二維網(wǎng)格電極材料的比電容呈下降趨勢，可能的原因是在恒流充放電過程中，處于還原狀態(tài)的共價(jià)有機(jī)二維網(wǎng)格材料，由于網(wǎng)格材料層與層之間的靜電排斥作用，反復(fù)的收縮和膨脹造成納米結(jié)構(gòu)的改變，使得電極材料的導(dǎo)電性下降，