碳納米片的制備及其性能研究.pdf

1、碳納米片(Carbon nanosheet，CNS)是一種新型二維納米碳材料，以石墨烯(Graphene)為代表，由于其具有較高的比表面積和優(yōu)良的導(dǎo)電性能，在電化學(xué)能量存儲和催化領(lǐng)域備受矚目。本文分別采用球磨天然石墨、還原氧化石墨法、以及模板法制備碳納米片。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)以及熱失重曲線分析(TGA)等對材料形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并通過循環(huán)伏安、恒流充放電、交流阻抗等電化學(xué)分析方法測試其電化學(xué)性能，詳細(xì)地

2、考察材料的微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能之間內(nèi)在的聯(lián)系。主要研究內(nèi)容包括：
　　 ⑴以天然石墨(NG)、炭黑(CB)、碳納米管(CNT)為原料，采用機械球磨法制備石墨納米片及其復(fù)合碳納米材料即GNS、GNS/CB、GNS/CNT、GNS/CB/CNT。由于球磨制備出的石墨納米片易堆疊或團(tuán)聚，所以在天然石墨中摻雜球形炭黑和碳納米管來改善石墨納米片的團(tuán)聚問題。通過對其電化學(xué)性能測試可知，在掃速為2 mV·s-1時，復(fù)合材料GNS/CB/CNT

3、的比電容達(dá)到107.8 F·g-1，而GNS、GNS/CB、GNS/CNT的比電容分別達(dá)到82.6 F·g-1、87.7 F·g-1、77.6 F·g-1。當(dāng)掃速為100 mV/s時，材料GNS、GNS/CB、GNS/CNT、GNS/CB/CNT的比容量保持率分別為34％、41%、49%、45%。從測試結(jié)果可知，復(fù)合材料GNS/CB/CNT的電化學(xué)性能最好，比容量保持率較高，這是因為在球磨中，球形炭黑容易進(jìn)到石墨片的邊緣，在球磨機械力作

4、用下，易使石墨片剝離成石墨納米片，而炭黑均勻分散在石墨納米片上阻止其團(tuán)聚，提高了其比表面積，同時碳納米管以其管道連通相鄰的石墨納米片，增大了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，增強了其電化學(xué)性能。通過對這些材料的電化學(xué)分析，復(fù)合材料GNS/CB/CNT是較理想的電極材料。
　　 ⑵采用還原氧化石墨法制備石墨烯。在電壓掃描速率為2 mV·s-1時，石墨烯電極的比容量為124.9 F·g-1，球磨制備的石墨納米片的比容量僅為82.6 F·g-1，到100 m

5、V/s時還原后的石墨烯比電容達(dá)到84.6 F·g-1，其比容量保持率為68%。從結(jié)果看還原后的石墨烯比球磨后制備的石墨納米片的電化學(xué)性能要好，這是因為球磨制備的石墨納米片厚而且片大，所以其比表面積??；而氧化石墨在制備中引入含氧官能團(tuán)，其產(chǎn)生的斥力阻止了氧化石墨的團(tuán)聚，超聲分散成單層氧化石墨烯后在堿性條件下還原，這避免了在還原過程中氧化石墨烯凝聚成團(tuán)，所以制備出的石墨烯比球磨制備的石墨納米片薄而且片小，有效提高了石墨烯的比表面積，使電解液

6、離子在其內(nèi)部快速傳輸與轉(zhuǎn)移，所以石墨烯的電化學(xué)性能就較好。
　　 ⑶以瀝青為碳源，多孔MgO為模板，通過模板法制備出柱狀多孔碳納米片，其比表面積高達(dá)883 m2·g-1。在掃速為2 mV·s-1時，其制備電極的比容量為289.2 F·g-1，當(dāng)掃速為1000 mV·s-1時，其比容量還能達(dá)到180.2 F·g-1，比容量保持率高達(dá)62%。這主要是因為所制備的碳材料為3D柱狀多孔碳，它擁有相互連接的開放孔型表面，在兩層碳納米片之間

7、分布著垂直樹立的多孔碳納米柱，這就增大了碳納米片的間距，且每個碳納米片上都有大小均-呈蜂窩狀的介孔，這就大大的增加了其比表面積，使電解液離子不僅在平面多孔碳納米片的孔道內(nèi)傳輸與擴(kuò)散，還可以在立體空間上通過多孔碳納米柱上擴(kuò)散，這樣的二級擴(kuò)散極大地提高了活性材料的電化學(xué)利用率。而利用片狀Mg(OH)2納米片和球形MgO納米顆粒為模板制備的多孔碳納米片，在2 mV·s-1的掃速下，其比容量分別為195 F·g-1、159·2 F·g-1，到1

8、000 mV/s時它們的比容量保持率分別為53%和56%。這些電化學(xué)性能與其微觀結(jié)構(gòu)是緊密相連的，以片狀Mg(OH)2為模板制備的多孔碳納米片，其微觀結(jié)構(gòu)為碳納米片層與層之間相互疊加在一起，但是片層之間有空隙，電解液離子主要是在片層之間傳輸與擴(kuò)散；而以球形MgO為模板制備的多孔碳納米片，片上有均勻的碗底狀孔型，但是片較厚，所以電解液離子主要是在片上的孔道內(nèi)擴(kuò)散，而且在片上的孔道擴(kuò)散速度小于在片層之間的擴(kuò)散速度，所以以片層Mg(OH)2為