功能化部分还原氧化石墨烯的制备及电化学性能研究

摘要

石墨烯优异的比表面积、导电性、化学稳定性等特性使其非常适合作为双电层电容器电极材料使用。但是由于石墨烯无法避免的片层团聚和相对较低的比电容等问题限制了其在超级电容器领域的应用。氧化石墨烯(GO）表面含有大量的含氧官能团，这些官能团可以通过法拉第反应提高材料的赝电容，但是氧化石墨的电导率值太低无法作为电极材料使用。因此，本论文使用少量含氨基的有机化合物在水热条件下对 GO进行了部分还原和功能化改性，使材料同时具有双电层电容和赝电容机制，获得了较高的电化学性能。具体研究内容与研究结果如下：
　　（1）分别使用极少量的1,4-丁二胺和苯乙胺作为还原剂、氮源以及形貌调节剂与 GO在水热条件下反应制备了有机胺功能化部分还原氧化石墨烯材料，并研究了其电化学性能。结果表明，少量有机胺制备的样品具有三维网状结构，其孔径随着有机胺用量的增大而增大。由1,4-丁二胺制备的样品和由苯乙胺制备的样品都具有较大的比表面积和良好的孔径结构因而展现出了良好的双电层电容性能，在1 M Na2SO4电解液中当电流密度为0.3 A g-1时其比电容分别达到了106.4 F g-1和106.6 F g-1；样品表面保留的大量的酸性含氧官能团和引入的少量含氮官能团可以提高材料的亲水性、电导率和赝电容。因此，在6 M KOH电解液中由1,4-丁二胺制备的样品和由苯乙胺制备的样品在电流密度为0.3 A g-1时的比电容则分别高达268.8 F g-1和264.1 F g-1，同时其能量密度也分别达到了9.3 Wh kg-1和9.2 Wh kg-1，经过10000次在10 A g-1下的充放电测试后其比电容值分别为初始值的101.03%和101.85%。
　　（2）分别使用少量的对氨基苯酚和三羟甲基氨基甲烷作为反应的前驱体，成功的制备出了酚羟基和醇羟基功能化的部分还原氧化石墨烯材料。酚羟基和醇羟基功能化后样品的形貌和孔径结构都得到了改善。在1 M Na2SO4溶液中的电化学分析结果表明，由对氨基苯酚制备的样品具有更高的亲水性和更大的比表面积以及更高的电导率，因而其电容性能比较好，而醇羟基功能化的样品则拥有更加稳定的孔径结构，因而其具有更好的循环稳定性。样品在6 M KOH电解液中的电化学分析结果表明，化学活性较强的酚羟基功能化的样品展现出了非常好的比电容性能和较高的能量密度，当电流密度为0.3 A g-1时其比容量和能量密度值分别达到了284.1 F g-1和9.9 Wh kg-1远远的大于目前商用的超级电容器。但其循环稳定性能不是特别优异随着充放电测试的进行其比容量不断地降低。化学稳定性较强醇羟基制备的样品不仅具有优异的电容性能，还具有超高的倍率性能和循环稳定性能。经过在10 A g-1下的10000次充放电循环后，当电流密度为0.3 A g-1时其比容量和能量密度值分别达到了276.8 F g-1和9.6 Wh kg-1。
　　（3）分别使用少量的中性氨基酸（丙氨酸），酸性氨基酸（谷氨酸）和碱性氨基酸（赖氨酸）作为前驱体制备了氨基酸功能化部分还原氧化石墨烯材料。结果表明，少量中性氨基酸可以有效的改善样品的比表面积和孔径结构，酸性氨基酸次之，而碱性氨基酸制备的样品中石墨烯片层则出现了明显的团聚现象。因此，在1 M Na2SO4电解液中丙氨酸制备的样品具有最好的双电层电容性能。经过氨基酸功能化以后样品的表面引入了大量的羧基官能团和少量的含氮官能团并保留了大量的羟基官能团。在6 M KOH电解液中少量的中性氨基酸功能化的样品在0.3 A g-1的电流密度下其比电容和能量密度值分别达到了262.8 F g-1和9.1 Wh kg-1。另外，由于氨基酸分子中的羧基官能团既具有很强的亲水性又具有较强的电化学稳定性，因此不同酸碱度氨基酸功能化的样品都表现出了良好的倍率性能和循环稳定性能。

目录

第1章 绪 论

1.1 研究目的和意义

1.2 超级电容器概述

1.3石墨烯概述

1.4石墨烯基超级电容器电极材料

1.5氧化石墨烯概述

1.6主要研究内容

第2章 实验材料及试验方法

2.1 材料体系及功能化试剂的选择

2.2 实验试剂和主要实验设备

2.3 电极材料的测试与表征

2.4 电化学性能测试

2.5 氧化石墨的制备

第3章 有机胺功能化部分还原氧化石墨烯的制备及其电化学性能研究

3.1 引言

3.2 有机胺功能化部分还原氧化石墨烯的制备

3.3有机胺功能化部分还原氧化石墨烯的表征

3.4有机胺功能化样品的电化学性能研究

3.5本章小结

第4章 羟基功能化部分还原氧化石墨烯的制备及其电化学性能研究

4.1 引言

4.2 羟基功能化部分还原氧化石墨烯的制备

4.3羟基功能化部分还原氧化石墨烯的表征

4.4羟基功能化样品的电化学性能研究

4.5本章小结

第5章 氨基酸功能化部分还原氧化石墨烯的制备及其电化学性能研究

5.1 引言

5.2 氨基酸功能化部分还原氧化石墨烯的制备

5.3氨基酸功能化部分还原氧化石墨烯的表征

5.4氨基酸功能化样品的电化学性能研究

5.5功能化部分还原氧化石墨烯的对比分析

5.6本章小结

结论

展望

创新点

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历