納米碳復(fù)合材料的制備、表征與電化學(xué)性能研究.pdf

1、過(guò)分依賴化石能源帶來(lái)的能源危機(jī)與環(huán)境惡化是人類亟待解決的兩大難題。鋰離子電池(LIB)和直接甲醇燃料電池(DMFC)是清潔的儲(chǔ)能和能量轉(zhuǎn)換裝置，在消費(fèi)類電子產(chǎn)品、儲(chǔ)能設(shè)施和電動(dòng)汽車領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用的前景，對(duì)于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、緩解能源危機(jī)和環(huán)境污染具有重要意義。電活性材料是限制LIB和DMFC性能的關(guān)鍵因素之一。磷酸鐵鋰(LiFePO4)和PtRu催化劑分別是目前最有前景的LIB陰極材料和DMFC陽(yáng)極催化劑。然而，較低的本征電子電導(dǎo)率與鋰離子

2、擴(kuò)散速率影響LiFePO4的電化學(xué)性能，阻礙其在動(dòng)力鋰離子電池領(lǐng)域的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。由于PtRu催化劑甲醇氧化催化活性和耐久性不足，極大地限制了DMFC的性能和商業(yè)化應(yīng)用。因此，如何提升LiFePO4和PtRu催化劑性能成為備受矚目的研究熱點(diǎn)。
　　納米碳（如碳納米管，石墨烯等）具有電子電導(dǎo)率高、比表面積大、親合力強(qiáng)以及化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在電化學(xué)材料領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。為改善LiFePO4正極材料和PtRu催化劑的性能，本文

3、采用多元醇回流法結(jié)合熱處理合成碳納米管與石墨烯共同修飾的薄片狀LiFePO4多孔復(fù)合材料，通過(guò)溶劑熱法制備氮摻雜石墨烯—LiFePO4多孔球形復(fù)合材料，并采用一步熱處理法合成N、B摻雜石墨烯負(fù)載的PtRu納米催化劑。使用X射線衍射、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡以及X射線光電子能譜等表征手段進(jìn)行晶型、微觀形貌與化學(xué)組態(tài)分析，并采用恒電流充放電、循環(huán)伏安法和交流阻抗法、計(jì)時(shí)電流法等技術(shù)系統(tǒng)測(cè)試了復(fù)合材料的電化學(xué)性能。得出如下結(jié)論:

4、　　(1)碳納米管與石墨烯構(gòu)成的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)能有效提升LiFePO4的電子電導(dǎo)率。適當(dāng)?shù)臒崽幚磉^(guò)程可以優(yōu)化形貌與晶體結(jié)構(gòu)，從而改善LiFePO4復(fù)合材料的電化學(xué)性能。經(jīng)優(yōu)化后的LiFePO4復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，0.1和1C放電容量分別為163和127 mAh g-1，而且1C循環(huán)100次后容量保持率高達(dá)99％。
　　(2)氮摻雜石墨烯和LiFePO4納米片自組裝構(gòu)成的多孔微球結(jié)構(gòu)有利于增大電極與電解液之間的反應(yīng)界面，提

5、高電荷轉(zhuǎn)移速率，減小鋰離子擴(kuò)散距離并加速鋰離子擴(kuò)散。因此，多孔微球復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的放電比容量、倍率特性和循環(huán)穩(wěn)定性。
　　(3)硼、氮摻雜可以在石墨烯表面引入化學(xué)官能團(tuán)，調(diào)控負(fù)載鉑釕催化劑的顆粒尺寸和分散程度，從而提高催化劑的甲醇氧化電催化性能。優(yōu)化實(shí)驗(yàn)表明，最佳熱處理溫度為800℃，N摻雜催化劑的最佳熱處理時(shí)間為60 min，B摻雜催化劑的最佳熱處理時(shí)間為90 min，這些條件下制備的樣品展現(xiàn)出良好的甲醇氧化催化活性、抗中毒