石墨烯納米材料的活化、摻雜及其超電容性能的研究.pdf

1、便攜式超級電容器具有能量和功率密度大、體積小、柔韌性好、電位窗口寬、無電解液漏泄(安全)和易于加工等優(yōu)點，在可穿著的柔性電子產(chǎn)品上具有重要的應(yīng)用前景，因而受到了廣泛的關(guān)注。其中，電極材料的選擇對于超級電容器的輕薄和柔性化最為關(guān)鍵。作為平面超級電容器電極材料的二維材料需擁有良好的機(jī)械性能，可以任意地卷曲、折疊，而且不會造成電極材料結(jié)構(gòu)的坍塌和超級電容器明顯的性能損失等特點。由于石墨烯具有超大的理論比表面積，以及良好的電子導(dǎo)電性和優(yōu)良的機(jī)械

2、強(qiáng)度等突出優(yōu)點，已有被用于超級電容器的報道。但是石墨烯片層間的范德華引力使其片層之間嚴(yán)重堆積，不利于電解液離子的傳輸，并且石墨烯片層間的堆積會導(dǎo)致石墨烯的實際比表面積利用率變小，從而導(dǎo)致石墨烯的電化學(xué)性能降低。因此為了提高石墨烯薄膜的應(yīng)用價值，研究者對氧化石墨進(jìn)行活化處理。經(jīng)過活化處理的氧化石墨表面被引入大量含氧官能團(tuán)，這些官能團(tuán)一方面可以削弱石墨烯片層間的范德華力來阻止片層的堆積，為電解液離子傳輸提供通暢的通道；另一方面也可以為后續(xù)的

3、化學(xué)改性提供活化位點，有效改變其電化學(xué)性能。因此，本文用不同的活化劑對氧化石墨薄膜以及氧化石墨溶液進(jìn)行活化，然后進(jìn)行雜原子的摻雜，并進(jìn)一步研究其電化學(xué)性能。該試驗方法簡單快捷，有工業(yè)應(yīng)用前景。具體研究內(nèi)容如下：
　　1、以氧化石墨薄膜為基底材料，用HF作為活化劑在氧化石墨表面引入大量含氧官能團(tuán)，然后用氨水作為摻氮劑和還原劑制備摻氮的石墨烯薄膜材料。HF具有極強(qiáng)的腐蝕性，用HF作為活化劑，可以在氧化石墨表面引入大量孔結(jié)構(gòu)，增加電解液

4、離子傳輸?shù)耐瑫r保證了氧化石墨薄膜的膜狀結(jié)構(gòu)。另外，通過活化在氧化石墨表面引入大量的含氧官能團(tuán)，為氮元素的摻雜提供活性位點。通過氮元素的摻雜，一方面可以提高電極材料與電解液的浸潤性，提高電化學(xué)反應(yīng)的效率；另一方面可以提供贗電容性能，從而提高材料的電化學(xué)性能。所制得的復(fù)合材料通過電化學(xué)測試結(jié)果表明：在1 A g-1的電流密度下，其比容量可達(dá)到282 F g-1高于沒有活化處理的石墨烯薄膜的電容值245 F g-1。在10 A g-1的電流密

5、度下，其比容量仍可保持在177 F g-1。在1 A g-1電流密度下，該復(fù)合材料經(jīng)過10000次充放電測試后，比容量保持率為87％。
　　2、強(qiáng)氧化劑高錳酸鉀作為活化劑對氧化石墨溶液進(jìn)行活化處理，然后采用真空抽濾得到多孔氧化石墨薄膜，氨水作為摻雜劑和還原劑來實現(xiàn)氮元素的摻雜。氧化石墨片層間由于含氧官能團(tuán)同種電荷相互排斥的作用阻礙了片層堆積，隨后的水熱作用摻入氮元素，并且利用水分子插層進(jìn)一步增大石墨烯片層間的距離，為電解液離子的傳

6、輸提供了三維孔道結(jié)構(gòu)。在電流密度為1 A g-1時的比容量分別為313 F g-1，而沒有活化處理的石墨烯薄膜的比容量則為270 F g-1。當(dāng)電流密度增大到10 A g-1的時候樣品的比電容依然可以保持在183 F g-1，電容保持率為58%。
　　3、以高錳酸鉀活化處理得到的多孔氧化石墨溶液為基底材料，通過水熱法實現(xiàn)氮元素和磷元素的共同摻雜，氮元素的摻雜一方面可以增加電極材料與電解液的浸潤性，另一方面可以提供贗電容。磷元素的摻