石墨烯基材料的合成及其在儲(chǔ)能方面的應(yīng)用研究.pdf

1、石墨烯具有高電子電導(dǎo)率、大比表面積和良好的機(jī)械性能，在高容量和大功率儲(chǔ)能器件上具有巨大的應(yīng)用前景。但在不同的能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化領(lǐng)域，對石墨烯的合成方法和結(jié)構(gòu)特征具有不同的要求。本論文針對石墨烯在鋰離子電池負(fù)極材料、超級(jí)電容器和鋰-空電池中的不同要求，首先采用氧化還原法和化學(xué)氣相沉積法二種制備工藝制備得到石墨烯。在此基礎(chǔ)上，展開了以下研究:采用二步溶劑熱法制備了石墨烯/金屬氧化物納米復(fù)合材料，研究了該類復(fù)合材料的吸放鋰性能，并利用原位TEM技

2、術(shù)研究了復(fù)合材料的脫嵌鋰機(jī)制及石墨烯的作用機(jī)制;采用原位液相法對上述石墨烯進(jìn)行氮摻雜處理，探索了氮摻雜石墨烯在全固態(tài)柔性超微電容器中的應(yīng)用，并研究了氮摻雜對電容特性的影響機(jī)制;采用CVD方法在泡沫鎳上沉積了三維石墨烯(GNs-Ni)，并以此為導(dǎo)電基體，采用液相法沉積了δ-MnO2，研究了δ-MnO2/GNs催化電極在鋰-空電池中的應(yīng)用及Au修飾對δ-MnO2/GNs催化機(jī)制和催化性能的影響機(jī)制。為了進(jìn)一步降低充電過電位，在δ-MnO2催

3、化電極的基礎(chǔ)上，電解液中加入LiI氧化還原對構(gòu)成液固雙向催化，高效催化Li2O2的分解降低充電過電位。具體的研究內(nèi)容如下:
　　(1)采用氧化還原法和化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯。以氧化石墨和金屬離子為前驅(qū)體，利用氧化石墨上帶負(fù)電的含氧基團(tuán)和帶正電荷的金屬離子之間的靜電作用，采用二步溶劑熱法制備了石墨烯/金屬氧化物(如Fe2O3、Mn3O4、CoFe2O4等）及石墨烯/硫化物(如CoS2、SnS2)納米復(fù)合材料，分析了其形成機(jī)制，研究

4、了其可控制備技術(shù)，據(jù)此分析了其應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料的應(yīng)用前景。以氧化石墨為前驅(qū)體，通過結(jié)合原位氮摻雜，制備了具有大比表面積的氮摻雜石墨烯，分析了其在全固態(tài)柔性超級(jí)電容器中的潛在應(yīng)用。研究了三維石墨烯在泡沫鎳基體上的形成機(jī)制，解析了該石墨烯的結(jié)構(gòu)特征，分析了該石墨烯作為鋰-空電池的集流體的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢及應(yīng)用價(jià)值。
　　(2)在原位、可控制備石墨烯/金屬氧化物納米復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，研究了其作為鋰離子電池負(fù)極材料的電化學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，

5、石墨烯的引入可顯著提高如Fe2O3、Mn3O4、MFe2O4(M=Co/Mn)等氧化物的電化學(xué)性能。利用二步溶劑熱和一步溶劑熱過程制備得到MnFe2O4/GNs復(fù)合材料，分析了預(yù)加熱處理對MnFe2O4納米顆粒尺寸以及其在石墨烯上生長形貌的影響，并探討了尺寸效應(yīng)對電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能的影響。在此基礎(chǔ)上，以MnFe2O4/石墨烯為研究對象，利用原位TEM技術(shù)研究了其脫嵌鋰機(jī)制及充放電過程中石墨烯的作用機(jī)制。結(jié)果表明，經(jīng)過首次循環(huán)，MnFe2O4

6、顆粒粉化，電極反應(yīng)基于Fe/Mn/Li2O相與MnO/Fe3O4可逆轉(zhuǎn)換。動(dòng)態(tài)圖像分析證明，石墨烯在充放電過程中確實(shí)起到緩沖體積膨脹、固定細(xì)小晶粒等作用，揭示了石墨烯基復(fù)合材料具有良好電化學(xué)性能的原因。
　　(3)在制備氮摻雜石墨烯的基礎(chǔ)上，探索了其在全固態(tài)柔性超微電容器中的作用。首先，采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)組裝了全固態(tài)柔性超微電容器器件。研究表明，以氮摻雜石墨烯為電極的全固態(tài)超微電容器顯示出高的體積比容量(3.4 F cm-3)，該值

7、遠(yuǎn)高于未摻雜的石墨烯。在單個(gè)器件的基礎(chǔ)上，通過簡單的串聯(lián)和并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓和電容量的倍增，同時(shí)也證明了用該方法制備的超微電容器性能的一致性。彎曲性能測試表明，器件的彎曲不影響其電化學(xué)性能。該結(jié)果表明，該柔性全固態(tài)電容器在柔性器件上具有潛在的應(yīng)用。
　　(4)在制備三維導(dǎo)電石墨烯基礎(chǔ)上，采用溶劑熱法在其表面生長了具有高效催化效果δ-MnO2。采用δ-MnO2/GNs為催化電極的鋰-空氣電池表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在400mAg-

8、1電流密度下定容500mAh g-1可以穩(wěn)定循環(huán)130多次。在此基礎(chǔ)上，引入少量-Au納米顆粒，通過Au與δ-MnO2的協(xié)同催化效應(yīng)及Au納米顆粒的誘導(dǎo)效應(yīng)，納米結(jié)構(gòu)的Li2O2呈現(xiàn)薄片狀生長于δ-MnO2表面。而在單純的δ-MnO2表面，Li2O2為微米尺寸的粒狀顆粒。由于納米結(jié)構(gòu)的Li2O2薄片具有更好的電子電導(dǎo)和鋰離子電導(dǎo)，Au/δ-MnO2催化的鋰-氧電池顯示出更低的充放電過電位和更優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，400mAg-1電流密度下定