三維聚苯胺-石墨烯復(fù)合材料和氮摻雜石墨烯的研究.pdf

1、超級(jí)電容器是一種具有高性能的綠色環(huán)保的能量?jī)?chǔ)存裝置。對(duì)超級(jí)電容器的研究主要集中在尋找具有更高電化學(xué)性能，更易制備生產(chǎn)的新型電極材料。石墨烯作為電極材料時(shí)，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)受到了廣泛的關(guān)注和研究。然而，由于結(jié)構(gòu)完整的石墨烯片之間的強(qiáng)烈作用力使得單純的石墨烯作為電極材料時(shí)受到極大的限制。將石墨烯與導(dǎo)電聚合物復(fù)合或是對(duì)石墨烯摻雜改性均能提高石墨烯材料的電化學(xué)性能，是一種解決上述問(wèn)題的有效途徑。基于以上討論，本文用兩種方式形成了石

2、墨烯/聚苯胺復(fù)合物和兩種途徑制備出了高電化學(xué)性能的氮摻雜石墨烯。
　　(1)將石墨烯與對(duì)苯二胺通過(guò)水熱反應(yīng)形成的水凝膠(NGH-10)，然后利用重氮化反應(yīng)將 NGH-10進(jìn)行功能化改性，最后經(jīng)過(guò)原位聚合形成了聚苯胺共軛接枝石墨烯水凝膠(NGH-PANI-0.01M)。通過(guò) Raman，XPS，XRD等測(cè)試手段說(shuō)明了NGH-10具有明顯的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且其體積不隨水熱時(shí)間改變而改變；NGH-PANI-0.01M中聚苯胺以共

3、價(jià)鍵的形式接枝到石墨烯上，通過(guò) SEM觀察發(fā)現(xiàn)，聚苯胺以膜的形式附著于石墨烯片層上。通過(guò)電化學(xué)測(cè)試，NGH-10具有較高的電化學(xué)性能和穩(wěn)定性（1000次循環(huán)后有98.2％的剩余量）。NGH-PANI-0.01M充分利用了石墨烯與聚苯胺之間的協(xié)同效應(yīng)，能夠達(dá)到684F/g的電容量，并且循環(huán)性能良好（1000次循環(huán)后有94.4%的剩余量）。
　　(2)將石墨烯與具有電化學(xué)活性的木質(zhì)素磺酸鈉通過(guò)水熱法，構(gòu)建出了具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠(

4、GO/SL4)，在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)原位聚合聚苯胺，成功的將聚苯胺復(fù)合于石墨烯木質(zhì)素磺酸鈉三維網(wǎng)絡(luò)中，得到了石墨烯/聚苯胺復(fù)合物(GO/SL4/PANI0.1)。XRD，XPS和FT-IR等測(cè)試表明，經(jīng)木質(zhì)素磺酸鈉摻雜后，聚苯胺處于質(zhì)子酸摻雜的中間氧化態(tài)，其結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化，它與石墨烯之間存在的協(xié)同效應(yīng)也得到了更充分的發(fā)揮。電化學(xué)性能測(cè)試表明 GO/SL4/PANI0.1具有優(yōu)秀的電化學(xué)性能，在1A/g時(shí)電容可達(dá)820F/g，且經(jīng)過(guò)10

5、00次循環(huán)后仍有92.49%的電容保留量。
　　(3)在低溫焙燒的條件下，以吡啶為氮源，氧化鎳為催化劑，同時(shí)進(jìn)行氮原子摻雜和催化碳化的方法獲得了氮摻雜石墨烯(GOPD300Ni1.7)。通過(guò) TEM，XRD，XPS和Raman等表征手段，表明 GOPD300Ni1.7獲得了較完整的石墨結(jié)構(gòu)，其體積密度達(dá)到1.12g/cm3，并且保留了具有電化學(xué)活性的含氧基團(tuán)，以及吡啶對(duì)石墨烯進(jìn)行了氮原子摻雜。通過(guò)電化學(xué)測(cè)試說(shuō)明 GOPD300Ni

6、1.7具有高的電化學(xué)性能，在0.5A/g的電流密度下，其質(zhì)量電容可達(dá)443.4F/g。由于高達(dá)1.12g/cm3的體積密度能使GOPD300Ni1.7的體積電容達(dá)到496.6F/cm3。GOPD300Ni1.7具有優(yōu)秀的循環(huán)穩(wěn)定性，經(jīng)1000次循環(huán)后沒(méi)有電容損失。
　　(4)以氧化石墨烯(GO)為原料，三聚氰胺為還原劑和氮摻雜劑，經(jīng)過(guò)水熱法制備出了氮摻雜石墨烯(NRG)三維網(wǎng)絡(luò)。通過(guò) SEM，XPS，Raman和電化學(xué)等測(cè)試手段對(duì)