低溫等離子體輔助制備石墨烯基復(fù)合材料及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、石墨烯作為碳素材料家族的新成員，具有獨(dú)特的單原子厚度二維平面結(jié)構(gòu)和奇異的電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)以及熱學(xué)性質(zhì)，在微電子、儲(chǔ)能、催化以及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛能，探索低成本且環(huán)境友好可控制備石墨烯的技術(shù)方法具有重要意義。本論文采用介質(zhì)阻擋放電等離子體技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了還原氧化石墨烯(rGO)的可控制備，并深入探討了放電條件對(duì)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)、導(dǎo)電性以及電化學(xué)性能的影響;采用液相共沉淀耦合等離子體技術(shù)制備得到了石墨烯負(fù)載Ni納米顆粒、NiO

2、納米片、介孔Fe3O4納米棒的系列復(fù)合結(jié)構(gòu)，并研究了復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特征和形成機(jī)制;將所制備的石墨烯基材料用于超級(jí)電容器和鋰離子電池的電極材料，探索其能源存儲(chǔ)性能。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)以氧化石墨(GO)為前驅(qū)體，采用介質(zhì)阻擋放電等離子體技術(shù)實(shí)現(xiàn)了rGO的可控制備?？疾炝朔烹姎夥眨ㄟ€原性:H2，惰性:Ar，氧化性:CO2）對(duì)GO片層剝離程度和還原效果的影響，其還原程度主要受工作氣體類型和放電時(shí)間的影響，而與放電過(guò)程中等離子體

3、的體相溫度無(wú)關(guān)，說(shuō)明該反應(yīng)過(guò)程符合高能電子/離子碰撞脫氧機(jī)理。將不同氣氛下制備的rGO用作超級(jí)電容器的電極材料，在KOH堿性電解液中均呈現(xiàn)出高的比電容值和良好的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性。
　　(2)以太西無(wú)煙煤為前驅(qū)體，分別經(jīng)過(guò)脫灰、催化石墨化、化學(xué)氧化、H2等離子體處理，制備了具有豐富多孔結(jié)構(gòu)的煤基還原氧化石墨烯(TX-C-rGO)。研究發(fā)現(xiàn)，煤的石墨化程度對(duì)TX-C-rGO的性質(zhì)具有顯著影響，煤基炭的高結(jié)晶度對(duì)制備高質(zhì)量TX-C-rG

4、O非常關(guān)鍵。將得到的TX-C-rGO用于超級(jí)電容器電極材料，在堿性KOH電解液中表現(xiàn)出良好的充放電穩(wěn)定性和較高的比容量。通過(guò)H2等離子體技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤基氧化石墨和貴金屬鹽的同步還原，制備得到了TX-C-rGO負(fù)載高度分散貴金屬納米顆粒的復(fù)合材料。貴金屬納米粒子修飾的石墨烯復(fù)合材料用于NOx選擇性催化還原，表現(xiàn)出良好的低溫催化性能。
　　(3)采用介質(zhì)阻擋放電等離子體輔助技術(shù)制備了rGO負(fù)載Ni、NiO納米顆粒(NP)和NiO納

5、米片(NS)的系列復(fù)合結(jié)構(gòu)。通過(guò)調(diào)控等離子體的反應(yīng)氣氛，可將金屬鹽前驅(qū)體選擇性轉(zhuǎn)變?yōu)镹i或NiO，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)GO的還原。NiO-NP/rGO復(fù)合材料作為超級(jí)電容器的電極材料，其電化學(xué)性能優(yōu)于單一組分材料，展現(xiàn)出理想的電化學(xué)容量和倍率性能。將NiO-NS/rGO復(fù)合材料作為鋰離子電池負(fù)極材料，在500 mA g-1的電流密度下穩(wěn)定循環(huán)100次后其比容量仍然高達(dá)600 mAh g-1，并表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能、良好的循環(huán)穩(wěn)定性和高的庫(kù)倫效率

6、。
　　(4)采用液相共沉淀耦合等離子體技術(shù)可控制備了rGO負(fù)載多孔Fe3O4納米棒的復(fù)合材料。通過(guò)改變反應(yīng)物的濃度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Fe3O4納米棒尺度及載量的有效調(diào)控。作為鋰離子電池的負(fù)極材料，該分級(jí)納米結(jié)構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)電化學(xué)活性物質(zhì)的最大化利用，將其在500 mA g-1的電流密度下充放電循環(huán)100次，其可逆容量高達(dá)890 mAh g-1，即使在較高的電流密度下(1000-3000mAg-1)循環(huán)測(cè)試，其可逆容量仍能夠維持在較高的水平