石墨烯納米材料的活化、摻雜及其超電容性能的研究.pdf

1、便攜式超級電容器具有能量和功率密度大、體積小、柔韌性好、電位窗口寬、無電解液漏泄(安全)和易于加工等優(yōu)點，在可穿著的柔性電子產品上具有重要的應用前景，因而受到了廣泛的關注。其中，電極材料的選擇對于超級電容器的輕薄和柔性化最為關鍵。作為平面超級電容器電極材料的二維材料需擁有良好的機械性能，可以任意地卷曲、折疊，而且不會造成電極材料結構的坍塌和超級電容器明顯的性能損失等特點。由于石墨烯具有超大的理論比表面積，以及良好的電子導電性和優(yōu)良的機械

2、強度等突出優(yōu)點，已有被用于超級電容器的報道。但是石墨烯片層間的范德華引力使其片層之間嚴重堆積，不利于電解液離子的傳輸，并且石墨烯片層間的堆積會導致石墨烯的實際比表面積利用率變小，從而導致石墨烯的電化學性能降低。因此為了提高石墨烯薄膜的應用價值，研究者對氧化石墨進行活化處理。經過活化處理的氧化石墨表面被引入大量含氧官能團，這些官能團一方面可以削弱石墨烯片層間的范德華力來阻止片層的堆積，為電解液離子傳輸提供通暢的通道；另一方面也可以為后續(xù)的

3、化學改性提供活化位點，有效改變其電化學性能。因此，本文用不同的活化劑對氧化石墨薄膜以及氧化石墨溶液進行活化，然后進行雜原子的摻雜，并進一步研究其電化學性能。該試驗方法簡單快捷，有工業(yè)應用前景。具體研究內容如下：
　　1、以氧化石墨薄膜為基底材料，用HF作為活化劑在氧化石墨表面引入大量含氧官能團，然后用氨水作為摻氮劑和還原劑制備摻氮的石墨烯薄膜材料。HF具有極強的腐蝕性，用HF作為活化劑，可以在氧化石墨表面引入大量孔結構，增加電解液

4、離子傳輸?shù)耐瑫r保證了氧化石墨薄膜的膜狀結構。另外，通過活化在氧化石墨表面引入大量的含氧官能團，為氮元素的摻雜提供活性位點。通過氮元素的摻雜，一方面可以提高電極材料與電解液的浸潤性，提高電化學反應的效率；另一方面可以提供贗電容性能，從而提高材料的電化學性能。所制得的復合材料通過電化學測試結果表明：在1 A g-1的電流密度下，其比容量可達到282 F g-1高于沒有活化處理的石墨烯薄膜的電容值245 F g-1。在10 A g-1的電流密

5、度下，其比容量仍可保持在177 F g-1。在1 A g-1電流密度下，該復合材料經過10000次充放電測試后，比容量保持率為87％。
　　2、強氧化劑高錳酸鉀作為活化劑對氧化石墨溶液進行活化處理，然后采用真空抽濾得到多孔氧化石墨薄膜，氨水作為摻雜劑和還原劑來實現(xiàn)氮元素的摻雜。氧化石墨片層間由于含氧官能團同種電荷相互排斥的作用阻礙了片層堆積，隨后的水熱作用摻入氮元素，并且利用水分子插層進一步增大石墨烯片層間的距離，為電解液離子的傳

6、輸提供了三維孔道結構。在電流密度為1 A g-1時的比容量分別為313 F g-1，而沒有活化處理的石墨烯薄膜的比容量則為270 F g-1。當電流密度增大到10 A g-1的時候樣品的比電容依然可以保持在183 F g-1，電容保持率為58%。
　　3、以高錳酸鉀活化處理得到的多孔氧化石墨溶液為基底材料，通過水熱法實現(xiàn)氮元素和磷元素的共同摻雜，氮元素的摻雜一方面可以增加電極材料與電解液的浸潤性，另一方面可以提供贗電容。磷元素的摻