層次多孔碳-石墨烯復(fù)合材料的制備及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、超級(jí)電容器作為一種逐漸走向成熟的新型儲(chǔ)能器件，具有功率密度高，循環(huán)壽命長(zhǎng)，環(huán)境友好等特點(diǎn)，在新型能源汽車(chē)，信息通訊，航空航天等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。電極材料是超級(jí)電容器的核心，也是影響其性能的關(guān)鍵因素。石墨烯作為一種新型的碳材料，具有二維平面單原子層結(jié)構(gòu)，超高的比表面積（2630m2/g）顯著的電子傳導(dǎo)性，這些使其成為一種良好的復(fù)合功能材料納米添加劑，在超級(jí)電容器領(lǐng)域具有巨大潛力。本文從制備石墨烯原料出發(fā)，然后將其與經(jīng)過(guò)有效調(diào)控的層次多

2、孔碳材料復(fù)合，制備出的復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)和性能方面的提升，并且在超級(jí)電容器中具有更好的電化學(xué)性能。
　　一、以氧化石墨（GO）為前驅(qū)體，通過(guò)真空熱還原法制備石墨烯。經(jīng)300℃和900℃兩個(gè)溫度處理后，石墨烯微觀結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生太大變化。但是，含氧官量從氧化石墨（GO）的27.81wt.％分別下降到9.04wt.%，3.02wt.%，GO中的不穩(wěn)定基團(tuán)隨著還原溫度的升高逐漸被脫除。G300展現(xiàn)了優(yōu)異的電化學(xué)行為，電流密度1A/g時(shí)的質(zhì)量

3、比電容為149F/g。但是，在相同測(cè)試條件下G900的質(zhì)量比電容僅為43F/g。低溫下還原的G300比高溫還原的G900保留有更多的含氧官能團(tuán)，這些氧官能團(tuán)增加了石墨烯表面和電解液之間的潤(rùn)濕性，提供電容的活性位點(diǎn)，增加石墨烯作為超級(jí)電容電極材料的電容性能。
　　二、成功合成含有聚丙烯腈（PAN）和聚苯乙烯（PS）的嵌段共聚物（PAN-b-PS），并以該嵌段共聚物為前驅(qū)體，經(jīng)過(guò)碳化和KOH化學(xué)活化，制備含氮層次多孔碳材料。PS為自模

4、板劑，在碳化過(guò)程中形成介孔，為電解液離子的流通提供快速通道；PAN為含氮碳源，通過(guò)原位摻雜使氮原子進(jìn)入碳晶格，提供贗電容；KOH化學(xué)活化過(guò)程提供高比表面積，增加產(chǎn)生雙電層的活性位點(diǎn)。800℃活化得到的NHPC-800擁有高比表面積（2104.5m2/g）和氮含量（5.79%）展現(xiàn)了優(yōu)異的電化學(xué)行為，電流密度為0.5A/g時(shí)，質(zhì)量比電容高達(dá)257F/g。將其組裝成紐扣電容器測(cè)試，1A/g下循環(huán)10000次后比電容保持率90.38%。這種通

5、過(guò)碳化和KOH活化含有聚丙烯腈（PAN）和聚苯乙烯（PS）的嵌段共聚物（PAN-b-PS）制備含氮層次多孔碳材料的方法為先進(jìn)的超級(jí)電容器材料設(shè)計(jì)提供了亮點(diǎn)。
　　三、基于前面的研究成果，將G300與嵌段共聚物（PAN-b-PS）有效復(fù)合，通過(guò)簡(jiǎn)單的碳化活化法制備了層次多孔碳/石墨烯復(fù)合材料。該復(fù)合材料通過(guò)協(xié)同作用，同時(shí)兼具了兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，擁有高比表面積（2683m2/g），良好的導(dǎo)電性和相互交聯(lián)的層次孔結(jié)構(gòu)。這是由于:1）石墨烯