三維氮摻雜多孔炭-石墨烯的合成及應(yīng)用.pdf

1、超級電容器和燃料電池作為能量的存儲和輸送器件，由于優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性以及高能量密度等性能而得到廣泛關(guān)注。然而，超級電容器的電極材料和燃料電池的催化劑是影響其發(fā)展的關(guān)鍵因素。碳材料具有高化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性，強(qiáng)吸附能力、可控的孔結(jié)構(gòu)，較高的比表面積，高機(jī)械強(qiáng)度和低制備成本等優(yōu)點(diǎn)，可用作吸附劑、電極材料、催化劑及催化劑載體等，應(yīng)用范圍廣，已成為近年研究的熱點(diǎn)。此外，石墨烯具有高比表面積(2630 m2/g)、高導(dǎo)電性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及較低的成

2、本等優(yōu)異性能，成為研究的首選材料。目前，一般炭材料的比電容相對較小(~200 F/g)，而且不存在氧還原的活性位點(diǎn)，難以滿足在超級電容器和燃料電池中的應(yīng)用。因此，改善炭材料的結(jié)構(gòu)及性能仍是國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。
　　基于以上討論，本文采用三種較易操作的方法合成了不同結(jié)構(gòu)高性能氮摻雜三維多孔炭/石墨烯，并且探討了不同的實(shí)驗(yàn)條件對氮摻雜多孔炭/石墨烯的電化學(xué)性能的影響。此外，探討了不同氮摻雜類型對材料氧還原催化性能的影響。具體研究內(nèi)容如下

3、：
　?。?）通過原位化學(xué)聚合合成聚吡咯(PPy)/氧化石墨烯(GO)復(fù)合物(PGO)，然后用KOH作為活化劑對前驅(qū)體 PGO復(fù)合物進(jìn)行化學(xué)活化，得到氮摻雜的多孔炭/石墨烯(NPCG)。分別考察了焙燒溫度和投料比對材料電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：PGO(mGO:mPy=1:15)作為前驅(qū)體，在650℃經(jīng) KOH活化劑活化成功制備出高性能三維氮摻雜多孔炭材料/石墨烯 NPCG15-650；其比表面積為1489 m2/g；且氮摻雜量是

4、4.52％；電流密度為1 A/g時(shí)，比電容達(dá)到398 F/g，此外，其還具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性(94%)。
　?。?）選用PPy納米球和GO在水熱過程中組裝了GO/PPy復(fù)合物(GP)為前驅(qū)體，采用KOH活化后得到氮摻雜三維多孔炭/石墨烯(GPC)。分別考察了其質(zhì)量比和焙燒溫度對材料性能的影響，同時(shí)采用SEM、TEM、XPS等手段對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。結(jié)論如下：當(dāng)質(zhì)量比 PPy:GO=1:12時(shí)，在650℃經(jīng) KOH活化劑活化成功制備出

5、三維氮摻雜多孔炭/石墨烯 GPC12-650；其比表面積為1807.6 m2/g，其平均孔徑為2.538 nm，屬多級孔結(jié)構(gòu)；在電流密度為1 A/g，比電容大小為521 F/g；在20 A/g時(shí)，其比電容值仍有372 F/g；此外，在電流密度10 A/g時(shí)，對GPC12-650進(jìn)行1000次恒電流充放電循環(huán)壽命測試，其電容保持率為94.3%。
　?。?）在上述的PPy納米球和GO體系中，分別加入鄰苯二胺(OPD)、間苯二胺(MPD

6、)和對苯二胺(PPD)三種芳香二胺，對材料的結(jié)構(gòu)和氮摻雜類型進(jìn)行調(diào)控，得到三維氮摻雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，對該類炭材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征及電化學(xué)性能測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)質(zhì)量比 GO:PPy:二胺=1:12:3時(shí)，在650℃經(jīng) KOH活化劑活化成功制備出三維網(wǎng)絡(luò)氮摻雜多孔炭/石墨烯（GPPC）；其具備優(yōu)異的三維多孔結(jié)構(gòu)，在形貌上還出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，且比表面積為(2597.8 m2/g)；在電流密度為1 A/g，比電容大小為567.3 F/g，在電流密度