三维聚苯胺/石墨烯复合材料和氮掺杂石墨烯的研究

摘要

超级电容器是一种具有高性能的绿色环保的能量储存装置。对超级电容器的研究主要集中在寻找具有更高电化学性能，更易制备生产的新型电极材料。石墨烯作为电极材料时，因其独特的结构和优良的电学性质受到了广泛的关注和研究。然而，由于结构完整的石墨烯片之间的强烈作用力使得单纯的石墨烯作为电极材料时受到极大的限制。将石墨烯与导电聚合物复合或是对石墨烯掺杂改性均能提高石墨烯材料的电化学性能，是一种解决上述问题的有效途径。基于以上讨论，本文用两种方式形成了石墨烯/聚苯胺复合物和两种途径制备出了高电化学性能的氮掺杂石墨烯。
　　(1)将石墨烯与对苯二胺通过水热反应形成的水凝胶(NGH-10)，然后利用重氮化反应将 NGH-10进行功能化改性，最后经过原位聚合形成了聚苯胺共轭接枝石墨烯水凝胶(NGH-PANI-0.01M)。通过 Raman，XPS，XRD等测试手段说明了NGH-10具有明显的三维网络结构，结构稳定，且其体积不随水热时间改变而改变；NGH-PANI-0.01M中聚苯胺以共价键的形式接枝到石墨烯上，通过 SEM观察发现，聚苯胺以膜的形式附着于石墨烯片层上。通过电化学测试，NGH-10具有较高的电化学性能和稳定性（1000次循环后有98.2％的剩余量）。NGH-PANI-0.01M充分利用了石墨烯与聚苯胺之间的协同效应，能够达到684F/g的电容量，并且循环性能良好（1000次循环后有94.4%的剩余量）。
　　(2)将石墨烯与具有电化学活性的木质素磺酸钠通过水热法，构建出了具有三维网络结构的水凝胶(GO/SL4)，在此结构的基础上，通过原位聚合聚苯胺，成功的将聚苯胺复合于石墨烯木质素磺酸钠三维网络中，得到了石墨烯/聚苯胺复合物(GO/SL4/PANI0.1)。XRD，XPS和FT-IR等测试表明，经木质素磺酸钠掺杂后，聚苯胺处于质子酸掺杂的中间氧化态，其结构得到了优化，它与石墨烯之间存在的协同效应也得到了更充分的发挥。电化学性能测试表明 GO/SL4/PANI0.1具有优秀的电化学性能，在1A/g时电容可达820F/g，且经过1000次循环后仍有92.49%的电容保留量。
　　(3)在低温焙烧的条件下，以吡啶为氮源，氧化镍为催化剂，同时进行氮原子掺杂和催化碳化的方法获得了氮掺杂石墨烯(GOPD300Ni1.7)。通过 TEM，XRD，XPS和Raman等表征手段，表明 GOPD300Ni1.7获得了较完整的石墨结构，其体积密度达到1.12g/cm3，并且保留了具有电化学活性的含氧基团，以及吡啶对石墨烯进行了氮原子掺杂。通过电化学测试说明 GOPD300Ni1.7具有高的电化学性能，在0.5A/g的电流密度下，其质量电容可达443.4F/g。由于高达1.12g/cm3的体积密度能使GOPD300Ni1.7的体积电容达到496.6F/cm3。GOPD300Ni1.7具有优秀的循环稳定性，经1000次循环后没有电容损失。
　　(4)以氧化石墨烯(GO)为原料，三聚氰胺为还原剂和氮掺杂剂，经过水热法制备出了氮掺杂石墨烯(NRG)三维网络。通过 SEM，XPS，Raman和电化学等测试手段对样品的形貌、结构和电化学性质进行表征。结果表明：三聚氰胺在水热的条件下有效地将 GO还原并实现氮掺杂。当 GO与三聚氰胺质量比为1:2(NRG-2)时，其比电容在1A/g时可达到296F/g，经过1000次恒电流充放电循环后比电容保留量为88.5%。

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第一章 绪 言

1.1 超级电容器

1.2 石墨烯

1.3 聚苯胺

1.4 石墨烯/聚苯胺复合物

1.5 选题背景和主要研究内容

第二章 实验部分

2.1 实验仪器

2.2 实验试剂及规格

2.3 分析方法

第三章 对苯二胺/石墨烯水凝胶和聚苯胺共轭接枝石墨烯水凝胶的制备和电化学性能研究

3.1 前言

3.2 实验步骤

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 石墨烯/木质素磺酸钠/聚苯胺复合物的制备和电化学性能研究

4.1 前言

4.2 实验步骤

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 低温碳化和氮掺杂制备高体积电容的超级电极材料

5.1 前言

5.2 实验步骤

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 三维网状氮掺杂石墨烯的制备和电化学性能研究

6.1 前言

6.2 实验步骤

6.3 结果与讨论

6.4 本章小结

结论

参考文献

附录A 攻读硕士学位期间所发表的论文

致谢