氮摻雜石墨烯泡沫及聚苯胺纖維-石墨烯復(fù)合材料研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、超級電容器因其具有高功率密度,高倍率性能以及長使用壽命引起國內(nèi)外廣泛的關(guān)注,然而,較低的能量密度阻礙了其實際應(yīng)用。具有獨特結(jié)構(gòu)和優(yōu)異力學(xué)、電學(xué)及熱學(xué)性能的石墨烯作為材料科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的明星成為當前電極材料的研究熱點;然而,還原氧化石墨烯在材料制備過程中容易發(fā)生團聚和堆疊而導(dǎo)致超級電容器容量降低。為此,研究者開拓了多種方法包括填充物的引入,石墨烯的摻雜以及多級結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑等,通過這些方法,可以防止石墨烯片層的團聚而且由于活性功能基團的引入增

2、加了整體電容。截至目前,有很多方法用來制備氮摻雜石墨烯,如含氮前驅(qū)體化學(xué)氣相沉積、含氮氣氛環(huán)境弧放電、電熱反應(yīng)及熱處理等。然而,這些方法需要苛刻的條件和復(fù)雜的設(shè)備,并且有時產(chǎn)量低卻有高的成本。因此,綠色可控制備具有高比電容卻沒有犧牲優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性的電極材料變得越來越重要。
  基于以上討論,本文通過添加三種還原摻雜劑借助一步水熱反應(yīng)制備了氮摻雜石墨烯泡沫,并且探討了實驗條件對氮摻雜石墨烯電化學(xué)性能的影響。另外,探討了石墨烯泡沫力學(xué)

3、及體積相變,借助多種表征對氮摻雜類型及含量形成機制進行了探討。最后我們通過水熱反應(yīng)制備了高電化學(xué)性能聚苯胺纖維/石墨烯復(fù)合材料。具體研究內(nèi)容如下:
  (1)一步水熱法制備氮摻雜石墨烯泡沫及其電化學(xué)性能影響因素探究。分別以鄰苯二胺、間苯二胺和對苯二胺為還原摻雜劑,經(jīng)水熱反應(yīng),成功制備氮摻雜石墨烯泡沫,分別考察投料比、水熱溫度以及水熱時間對材料電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,當180℃水熱7h投料比(m(OPD/GO))為1條件下所制各

4、樣品HOGO1電化學(xué)性能最佳,在1A/g電流密度下比電容達到645F/g,而且在50A/g電流密度下仍能達到500F/g,20A/g電流密度充放電1000次電容保留97.6%;當120℃水熱12h投料比(m(PPD/GO))為5條件下所制各樣品HPGO5電化學(xué)性能最佳,在1A/g電流密度下比電容達到467F/g,而且在50A/g電流密度下仍能達到285F/g,20A/g電流密度充放電1000次電容保留91%;當150℃水熱12h投料比(

5、m(MPD/GO))為10條件下所制各樣品HMGO10電化學(xué)性能最佳,在1A/g電流密度下比電容達到365.7F/g,而且在50A/g電流密度下仍能達到100F/g,20A/g電流密度充放電1000次電容保留83%。
  (2)石墨烯泡沫結(jié)構(gòu)表征及摻雜氮種類形成過程探討。利用SEM、TEM、Raman、XRD和XPS等表征手段對石墨烯泡沫進行結(jié)構(gòu)表征。通過結(jié)構(gòu)表征結(jié)合電化學(xué)性能探討三種還原摻雜劑氮摻雜實現(xiàn)過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn):鄰苯二胺有

6、利于Quaternary-N的形成;問苯二胺有利于Pyridinic-N的形成;對苯二胺有利于Pyrrolic-N的形成。
  (3)高電化學(xué)性能聚苯胺纖維/石墨烯復(fù)合材料制備。聚苯胺納米纖維(PANI-F)與氧化石墨烯(GO)經(jīng)組裝后,進行水熱反應(yīng),制備了PANI-F/rGO(還原的氧化石墨烯)復(fù)合材料。利用掃描電子顯微鏡(SEM),傅立葉紅外光譜儀(FT-IR),X射線粉末衍射儀(XRD)對樣品形貌和結(jié)構(gòu)進行表征。同時,借助循

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