石墨烯-錳基氧化物復(fù)合結(jié)構(gòu)制備及其電化學(xué)儲(chǔ)能研究.pdf

1、石墨烯具有獨(dú)特的單原子厚度二維平面結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)，在場(chǎng)發(fā)射晶體管、傳感器、透明導(dǎo)電薄膜、電化學(xué)儲(chǔ)能等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景。改進(jìn)的Hummers法是最具潛力的石墨烯規(guī)?；苽浞椒?，但此過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)境污染、分離繁瑣、原料浪費(fèi)等問(wèn)題是限制其廣泛應(yīng)用的重要瓶頸。基于“原子經(jīng)濟(jì)性”合成原則，探索石墨烯及其復(fù)合物的低成本、綠色環(huán)保合成方法對(duì)其應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本論文從Hummers法制備氧化石墨烯(GO)的中間產(chǎn)

2、物—氧化石墨烯/MnSO4(GO/MnSO4)懸濁液出發(fā)，利用共沉淀、熱還原、水熱反應(yīng)等技術(shù)方法，制備了一系列宏/微觀結(jié)構(gòu)可控的石墨烯/MnOx復(fù)合結(jié)構(gòu)，并對(duì)其作為超級(jí)電容器和鋰離子電池電極材料的儲(chǔ)能性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究;并研究石墨烯載硫復(fù)合體系的可控制備及其作為鋰硫電池正極材料的性能。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)以催化石墨化的太西無(wú)煙煤為前驅(qū)體，采用改進(jìn)的Hummers法氧化插層制備煤基氧化石墨烯懸濁液(CDGO/MnSO4)，

3、并以其為前驅(qū)體，采用KOH和肼分別為沉淀劑和還原劑，原位制備了煤基石墨烯/Mn3O4(RCDGO/Mn3O4)復(fù)合結(jié)構(gòu)，同時(shí)得到副產(chǎn)物K2SO4;二者分別用作超級(jí)電容器的電極材料和電解質(zhì)，整個(gè)過(guò)程原子利用率達(dá)97％;制備得到的煤基石墨烯與Mn3O4的復(fù)合結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能，在50mAg-1的電流密度下，其比容量為260 F g-1;該方法不僅成功解決了GO分離過(guò)程中存在的耗時(shí)繁瑣、環(huán)境污染等問(wèn)題，同時(shí)以無(wú)煙煤為起始碳源，拓展了石

4、墨烯及石墨烯基復(fù)合物的原料來(lái)源。
　　(2)以天然鱗片石墨制備的GO/MnSO4懸濁液為反應(yīng)物，原位制備GO/Mn3O4復(fù)合物，分別采用氨氣和氫氣熱還原法制備氮摻雜的石墨烯/MnO復(fù)合物（N-GS/MnO）和石墨烯/MnO(H-GS/MnO)，并研究了其電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能。在100 mAg-1的電流密度下，N-GS/MnO和H-GS/MnO的比容量分別達(dá)到987和870 mAh g-1。研究表明:氮摻雜石墨烯/MnO復(fù)合結(jié)構(gòu)中引入吡啶

5、型的氮原子降低了電極材料及電池內(nèi)阻，減小了充放電過(guò)程中電荷轉(zhuǎn)移的阻力，從而提高了其電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能。
　　(3)采用水熱合成技術(shù)，以氨水作為沉淀劑，從GO/MnSO4懸濁液出發(fā)制備石墨烯復(fù)合型氣凝膠/Mn3O4(GSA/Mn3O4)，并考察其作為鋰離子電池負(fù)極材料的儲(chǔ)鋰性能。GSA/Mn3O4比粉末狀復(fù)合物具有更加豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和相互連接、貫通的三維通道，使復(fù)合型氣凝膠材料表現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)鋰性能，在100、400、800、1600 m

6、A g-1的電流密度下其可逆比容量分別達(dá)1112.6、789.3、650.9、475.5 mAhg-1，在800 mA g-1下循環(huán)100次后電化學(xué)容量仍能維持在593 mAh g-1。
　　(4)以GO為氧化劑和碳前驅(qū)體，H2S為還原劑和硫源，H2O2為輔助氧化劑，基于選擇性氧化還原機(jī)理，成功制備了硫載量可控的硫/石墨烯復(fù)合物(GS/S)，并考察其作為鋰硫電池正極材料的儲(chǔ)鋰性能。通過(guò)控制H2O2的加入量實(shí)現(xiàn)了硫負(fù)載量的調(diào)控，同時(shí)