氮摻雜碳材料的合成及其電化學電容性能研究.pdf

1、超級電容器作為一種新型的儲能裝置在可再生能源和清潔能源的應用研究上發(fā)揮著越來越重要的作用。作為超級電容器的重要組成部分，電極材料的結構和組成直接影響和制約著超級電容器的儲能效率和發(fā)展應用。碳材料憑借其原料豐富、易加工、比表面積大、導電導熱性能好、無毒無污染、化學性質穩(wěn)定、工作溫度范圍寬等諸多優(yōu)點成為目前為止在商業(yè)化運行上應用最多的電極材料。石墨烯(Graphene)材料，擁有極高的理論比表面積和優(yōu)異的導電性能，且生產成本低、可大量生產制

2、備，近年來，其作為超級電容器電極材料的研究也越來越引人注目。而摻雜可以有效地改變石墨烯的表面性質，形成優(yōu)異的形態(tài)結構的改性石墨烯材料。在石墨晶格中摻雜原子，尤其是氮原子，可以在費米能級水平上增強其能量狀態(tài)和密度狀態(tài)，從而克服納米碳的量子電容限制問題，最終增加其比電容，以得到具有高能量密度和高功率密度的材料。本文主要以氧化石墨烯和碳納米管為原料、尿素(urea)為摻雜劑，通過一種簡單的熱處理法制備三維多孔摻氮石墨烯片(Three-dime

3、nsional porous Nitrogen-doped graphene nanosheets，NGS)，并通過設計不同的投料比例和升溫程序，對比分析投料比和升溫程序對所合成材料組成、結構和性能的影響。具體研究內容和成果如下:
　　(1)采用改良的Hummers法將石墨粉氧化成氧化石墨(Graphene Oxide)，以氧化石墨為碳源，尿素為氮源，將二者充分混合，利用管式爐在氮氣中對其進行300℃3 h，800℃2 h兩個階段

4、的煅燒。作為摻雜劑，尿素在煅燒過程中會分解釋放出氨氣，隨后氨氣與氧化石墨中的含氧官能團反應，使氮原子進入石墨晶格中，從而形成摻氮石墨烯片。當氧化石墨和尿素以不同比例進行反應時，制備出NGS的含氮量和微觀形貌不同，其電容值也有很大差異。通過對比可知，當GO∶urea=1∶10時，產物中氮原子含量最高，可達5.76 at％;在1Ag-1的電流密度，6M KOH的電解液中有高達368.5 F g-1的比電容;在掃描速度為50 mV s-1，6

5、MKOH溶液中，5000個循環(huán)之后摻氮的石墨烯納米材料仍保有97.6％的初始電容。
　　(2)為了研究不同溫度下熱處理氧化石墨和尿素混合物對摻氮產物微觀形貌和電容性能的影響，我們對上述最佳比例的混合物進行300℃和800℃不同程度的煅燒。并采用掃描電鏡檢測其微觀形貌。結果表明，不同升溫程序的材料表面都有一定程度的褶皺，當以300℃(3 h)→800℃(2 h)的升溫程序處理時，材料具有最多的褶皺和最好的分散性。這說明，適當?shù)牡蜏仉A

6、段相比于直接升溫至反應溫度(800℃)更有利于尿素緩慢的分解，促使產生氣體，從而更好地誘導尿素插層的氧化石墨烯發(fā)生形變卷曲，增大材料的比電容。電化學測試結果也表明，樣品NGS-32具有最好的電容性能，是極具應用前景的超級電容器電極材料。
　　(3)氧化石墨烯可以有效的分散碳納米管，同時，碳納米管也可以阻止氧化石墨烯的團聚以增加材料的比表面積和導電性。本章中，我們提出以一種碳碳共摻雜的方式，將剖開碳納米管與碳酸氫銨混合進行水熱改性，

7、生成的納米材料與氧化石墨烯混合自組裝，最后將碳-碳復合材料進行煅燒摻氮，從而制備出氮摻雜的Graphene-CNTs(NGCs)復合材料。并通過對比實驗得出，當氧化石墨烯與碳納米管的質量比為1∶2(NGCs-0.5)時，NGCs具有最好的電容性能，在1Ag-1的電流密度，1 M KOH的電解液中，NGCs-0.5的比電容為267.5 F g-1。且在掃描速度為50 mV s-1，1 M KOH溶液中，5000個循環(huán)之后其仍具有初始電容的