二維分級納米碳材料的制備及其在鋰電池中的應(yīng)用.pdf

1、二維納米碳材料在新一代能量存儲與轉(zhuǎn)換體系中被廣泛地應(yīng)用和研究。當(dāng)被用作鋰離子電池負(fù)極材料時，其超高的比表面積可以提供豐富的電化學(xué)活性位點(diǎn)，從而保證了材料的高比容量。其二維納米結(jié)構(gòu)可以縮短Li+離子的擴(kuò)散路徑、提升材料的倍率性能。其優(yōu)異的機(jī)械性能保證電極具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而使材料獲得優(yōu)異的循環(huán)性能。然而由于范德瓦爾斯力的存在，二維納米碳材料通常會面臨嚴(yán)重的團(tuán)聚和堆疊效應(yīng)，這造成了有效比表面積的損失，阻礙了Li+離子的擴(kuò)散。構(gòu)建二維分

2、級結(jié)構(gòu)可以有效地緩解這種團(tuán)聚與堆疊，促進(jìn)二維納米碳材料高比表面積的充分利用。此外，優(yōu)化孔徑分布、雜元素功能化均對提升二維納米碳材料的儲鋰性能有重要的意義。傳統(tǒng)制備分級納米碳材料的方法耗時耗能、價格昂貴且產(chǎn)率低，遠(yuǎn)不能滿足需求。因此，用環(huán)境友好型方法制備二維分級納米碳材料是一個有前景的研究方向。
　　本文中的研究內(nèi)容主要集中于以下幾點(diǎn):
　　(1)以鎂鋁雙金屬氫氧化物為模板，吸收工業(yè)污水中的常見有機(jī)染料橙黃Ⅱ作為碳源，制備了一

3、種二維分級納米碳材料(2D-HCA)，并用一系列的表征手段研究了這種分級碳材料的微觀結(jié)構(gòu)、探究了它的制備機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，2D-HCA由二維納米亞單元組成;同時，這種碳材料具有分級孔結(jié)構(gòu)和N、S雜元素共摻雜的特性。
　　(2)基于2D-HCA的制備方法，進(jìn)一步以三聚氰胺為氮源，用“一步摻雜法”成功制備了富氮二維納米碳(N-2D-HCA)，并表征了N-2D-HCA的結(jié)構(gòu)，分析了N元素的含量和種類。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，N-2D-HCA也具

4、有由二維納米亞單元組成的分級結(jié)構(gòu);N-2D-HCA含N量為15.5％，其中電化學(xué)活性高的吡啶氮和吡咯氮占所有N原子的84％。
　　(3)測試了兩種分級納米碳的儲鋰性能，包括循環(huán)伏安曲線、循環(huán)性能、倍率性能等。電化學(xué)數(shù)據(jù)表明，2D-HCA表現(xiàn)出了極高的儲鋰比容量、N-2D-HCA表現(xiàn)出了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過構(gòu)建二維分級結(jié)構(gòu)的納米碳材料，能夠有效地緩解納米碳單元片層間的團(tuán)聚與堆疊，有效提高二維納米碳材