碳基納米材料的設(shè)計、合成與電化學性能研究.pdf

1、碳基納米材料是目前材料科學領(lǐng)域的研究熱點之一,它包含多個部分,具有很大的科研理論價值和實際應用價值。本論文分別制備出層間距可調(diào)的插層石墨復合物和N摻雜或N,S雙摻雜活性炭等納米材料,并系統(tǒng)研究了所制備碳材料的電化學電容性能。具體內(nèi)容如下:
　　1.插層氧化石墨烯納米復合材料的設(shè)計與合成及其電化學性能的研究:首先以石墨為原材料,采用 Hummers法制備出了氧化石墨,氧化石墨的片層表面上存在很多的含氧官能團,比如羰基、羥基、羧基和環(huán)

2、氧基等。利用脂肪族二胺與氧化石墨上環(huán)氧基團之間的親核取代反應,合成插層氧化石墨。通過控制插入物脂肪族二胺碳鏈的長度可以控制插層氧化石墨的層間距,其層間距調(diào)控范圍為0.73nm~1.14nm之間。使用水合肼對插層氧化石墨進行了還原,研究了還原溫度對所得插層氧化石墨烯復合物結(jié)構(gòu)的影響,發(fā)現(xiàn)在60℃下還原制備的復合物RGO6-60插層結(jié)構(gòu)保持完好,氧含量較低,還原程度較高。N2吸附測試表明,該材料的比表面積為5.5m2·g-1,在1mol·L

3、-1[MeEt3N]BF4/PC有機電解液中,比電容為4.7F·g-1,折合單位比表面積比電容值為0.85F·m-2。
　　2.以人發(fā)和蔗糖為碳源制備N,S雙摻雜活性炭:以生物質(zhì)人發(fā)和蔗糖為原料,通過水熱碳化法和后KOH活化法,成功制備了N,S雙摻雜活性炭。利用SEM、氮氣吸附和XPS等手段對所制備的炭材料的微觀形貌、孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學性質(zhì)進行了詳細的表征。結(jié)果證明,所制備的碳材料具有豐富的N,O和S官能團,其比表面積最高可達18

4、49.4m2·g-1。電化學測試表明,該碳材料的比電容包含兩部分:雙電層電容和法拉第贗電容,含N,O和S官能團引入了明顯的贗電容,在這兩種電容的共同作用下,所制備的碳材料具有較好的電化學電容特性。在6mol·L-1 KOH電解液中,SAC-2的比電容可達193.4F·g-1。我們使用可再生生物質(zhì)成功的制備出了摻雜雜原子的碳材料,該類材料具有較大的比表面積和良好的電容性能。
　　3.以人發(fā)和葡萄糖為碳源制備N摻雜或N,S雙摻雜活性炭

5、:頭發(fā)和葡萄糖為原料,通過水熱碳化法和后KOH活化法我們合成出了N摻雜或N,S雙摻雜的活性炭。經(jīng)XPS和紅外測試發(fā)現(xiàn),碳材料中含有氮元素或氮硫兩種元素?？刂祁^發(fā)溶液的用量,我們可以制備出N摻雜或N,S雙摻雜的活性炭材料,氮元素的摻雜量控制在2.0wt％至3.1wt%之間,硫元素的摻雜量控制在0至1.3wt%之間。電化學測試中發(fā)現(xiàn),所制備的碳材料具有較好的電容性能,N,O,S官能團引入了大量的贗電容。碳材料T-1:3電化學性能最好,電流密