氮摻雜炭和氮摻雜多孔炭-石墨烯電極材料的研究.pdf

1、超級電容器因其功率密度高、循環(huán)壽命長以及快速的充放電，被認(rèn)為是最具應(yīng)用前景的能源存儲(chǔ)設(shè)備之一。石墨烯作為電極材料，具有機(jī)械強(qiáng)度高、比表面積大、電子導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn)，但其片層間π-π鍵作用導(dǎo)致的堆疊，使得石墨烯的比表面積大大降低，比電容也隨之降低。為了提高石墨烯的電化學(xué)性能，增大比表面積是最常用的方法，但由于潤濕性差導(dǎo)致材料的界面電阻增大。除此之外，通過引入雜原子摻雜提供額外的贗電容，為提高石墨烯基電極材料的比電容提供了新的可能，但其有限的

2、比表面積限制了實(shí)際應(yīng)用。因此，為了獲得高比表面、大比電容的電極材料，通過炭化、活化制備的氮摻雜炭和氮摻雜多孔炭/石墨烯材料得到了人們的廣泛關(guān)注。本文以聚苯胺(PANI)/氧化石墨烯(GO)復(fù)合材料為前驅(qū)體，通過討論不同實(shí)驗(yàn)條件對材料的影響，制備了高性能的氮摻雜炭和氮摻雜多孔炭/石墨烯材料，主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)通過在GO表面原位聚合苯胺(Ani)制備了PANI陣列/GO復(fù)合物(PGO)后，再將一定量的GO加入到PGO分散液

3、中，經(jīng)水熱組裝制備了石墨烯/聚苯胺/石墨烯(GPG)復(fù)合材料。利用SEM和FT-IR對其形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。通過討論投料比、水熱溫度及水熱時(shí)間對材料電化學(xué)性能的影響，所得樣品GPG15-180-4（質(zhì)量比PGO∶GO=15∶1，180℃條件下反應(yīng)4h）用作超級電容器電極材料時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。當(dāng)電流密度為1Ag1時(shí)，GPG15-180-4的比電容為553Fg-1;且當(dāng)電流密度為20Ag-1，1000次恒電流充放電后，其比電容保持

4、率高達(dá)94.2％。
　　(2)以PANI納米陣列/GO、GO/PANI納米陣列/GO為前驅(qū)體，700℃下KOH活化制備了氮摻雜多級孔炭/石墨烯(NHPCG)和氮摻雜蜂窩狀多孔炭/石墨烯(NHOPCG)。其中，NHPCG和NHOPCG的比表面積分別為2703和2837m2g-1，氮原子的摻雜量分別為4.38和4.72at％。當(dāng)作為超級電容器的電極材料，1MH2SO4做電解液，在電流密度為1Ag-1時(shí)，NHPCG和NHOPCG的比電容

5、分別為465.2和507Fg-1;當(dāng)電流密度為10Ag-1，1000次恒電流充放電后，其比電容保持率分別為91.5和96.8％。
　　(3)利用對苯二胺調(diào)控材料的形貌、經(jīng)水熱反應(yīng)制備了三維樹枝狀纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的PDH、長纖維結(jié)構(gòu)的PFH，褶皺結(jié)構(gòu)的PGP以及聚苯胺/石墨烯水凝膠(PGH、PNGH);然后經(jīng)炭化、KOH活化制備了高性能的氮摻雜炭和氮摻雜多孔炭/石墨烯。PNGH分別經(jīng)炭化、活化后制備了PNGC和PNGPC，其比表面積分別

6、為296和2244m2g-1，氮摻雜量分別為10.17和4.18at％。當(dāng)用作超級電容器電極材料時(shí)，PDC、PFC、PGC、GC及PNGC在電流密度為0.5Ag-1時(shí)，比電容分別為267.75、311.5、280.15、187.35和362.15Fg-1; PDPC、PFPC、PGPC、GC-a及PNGPC在電流密度為1Ag-1時(shí)的比電容分別為377.2、385.1、436.7、306.2和485.7Fg-1。在電流密度為10Ag-1下