氮掺杂石墨烯泡沫及聚苯胺纤维/石墨烯复合材料研究

摘要

超级电容器因其具有高功率密度，高倍率性能以及长使用寿命引起国内外广泛的关注，然而，较低的能量密度阻碍了其实际应用。具有独特结构和优异力学、电学及热学性能的石墨烯作为材料科学与技术领域的明星成为当前电极材料的研究热点;然而，还原氧化石墨烯在材料制备过程中容易发生团聚和堆叠而导致超级电容器容量降低。为此，研究者开拓了多种方法包括填充物的引入，石墨烯的掺杂以及多级结构的构筑等，通过这些方法，可以防止石墨烯片层的团聚而且由于活性功能基团的引入增加了整体电容。截至目前，有很多方法用来制备氮掺杂石墨烯，如含氮前驱体化学气相沉积、含氮气氛环境弧放电、电热反应及热处理等。然而，这些方法需要苛刻的条件和复杂的设备，并且有时产量低却有高的成本。因此，绿色可控制备具有高比电容却没有牺牲优异循环稳定性的电极材料变得越来越重要。
　　基于以上讨论，本文通过添加三种还原掺杂剂借助一步水热反应制备了氮掺杂石墨烯泡沫，并且探讨了实验条件对氮掺杂石墨烯电化学性能的影响。另外，探讨了石墨烯泡沫力学及体积相变，借助多种表征对氮掺杂类型及含量形成机制进行了探讨。最后我们通过水热反应制备了高电化学性能聚苯胺纤维/石墨烯复合材料。具体研究内容如下:
　　(1)一步水热法制备氮掺杂石墨烯泡沫及其电化学性能影响因素探究。分别以邻苯二胺、间苯二胺和对苯二胺为还原掺杂剂，经水热反应，成功制备氮掺杂石墨烯泡沫，分别考察投料比、水热温度以及水热时间对材料电化学性能的影响。结果表明，当180℃水热7h投料比(m(OPD/GO))为1条件下所制各样品HOGO1电化学性能最佳，在1A/g电流密度下比电容达到645F/g，而且在50A/g电流密度下仍能达到500F/g，20A/g电流密度充放电1000次电容保留97.6％;当120℃水热12h投料比(m(PPD/GO))为5条件下所制各样品HPGO5电化学性能最佳，在1A/g电流密度下比电容达到467F/g，而且在50A/g电流密度下仍能达到285F/g，20A/g电流密度充放电1000次电容保留91％;当150℃水热12h投料比(m(MPD/GO))为10条件下所制各样品HMGO10电化学性能最佳，在1A/g电流密度下比电容达到365.7F/g，而且在50A/g电流密度下仍能达到100F/g，20A/g电流密度充放电1000次电容保留83％。
　　(2)石墨烯泡沫结构表征及掺杂氮种类形成过程探讨。利用SEM、TEM、Raman、XRD和XPS等表征手段对石墨烯泡沫进行结构表征。通过结构表征结合电化学性能探讨三种还原掺杂剂氮掺杂实现过程。结果发现:邻苯二胺有利于Quaternary-N的形成;问苯二胺有利于Pyridinic-N的形成;对苯二胺有利于Pyrrolic-N的形成。
　　(3)高电化学性能聚苯胺纤维/石墨烯复合材料制备。聚苯胺纳米纤维(PANI-F)与氧化石墨烯(GO)经组装后，进行水热反应，制备了PANI-F/rGO（还原的氧化石墨烯）复合材料。利用扫描电子显微镜(SEM)，傅立叶红外光谱仪(FT-IR)，X射线粉末衍射仪(XRD)对样品形貌和结构进行表征。同时，借助循环伏安(CV)，恒电流充放电(GCD)，交流阻抗(EIS)对样品的电化学性能进行了测试。结果表明:rGO均匀包裹在PANI-F表面，在1MH2SO4的电解液中，当电流密度为1A/g时，PANI-F比电容为378F/g，而PAGO10(PANI与GO的质量比为10)比电容达517F/g;且当电流密度10A/g时，PAGO10的比电容为356F/g，而PANI-F的比电容仅为107F/g。

目录

声明

摘要

第一章 绪言

1．1 超级电容器(Supercapacitor)

1．1．1 超级电容器的结构

1．1．2 超级电容器的类型

1．1．3 影响超级电容器性能的重要参数

1．1．4 超级电容器电极材料

1．2 石墨烯(Graphene)

1．2．1 石墨烯的合成

1．2．2 多孔石墨烯材料

1．3 选题背景

第二章 实验部分

2．1 实验仪器

2．2 仪器及设备

2．3 实验方法

2．3．1 邻苯二胺(OPD)与氧化石墨烯(GO)水热反应

2．3．2 间苯二胺(MPD)与氧化石墨烯(GO)水热反应

2．3．3 对苯二胺(PPD)与氧化石墨烯(GO)水热反应

2．4 分析方法

2．4．1 形貌观察

2．4．2 结构分析

2．4．3 性能分析

第三章 石墨烯泡沫电化学性能研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 循环伏安法(CV)

3．2．2 恒电流充放电(GCD)

3．2．3 交流阻抗法(EIS)

3．3 结果与讨论

3．3．1 HMGO电化学性能分析

3．3．2 HPGO电化学性能分析

3．3．3 HOGO电化学性能分析

3．3．4 三种石墨烯泡沫电化学性能分析

3．4 本章小结

第四章 水热合成石墨烯泡沫结构表征

4．1 结果与讨论

4．1．1 石墨烯泡沫对比图

4．1．2 石墨烯泡沫体积相变

4．1．3 石墨烯泡沫的SEM图

4．1．4 石墨烯泡沫的TEM图

4．1．5 石墨烯泡沫XRD图

4．1．6 石墨烯泡沫的Raman图

4．1．7 石墨烯泡沫XPS图

4．1．8 石墨烯泡沫力学分析

4．2 石墨烯泡沫形成机理

4．2．1 HOGO形成机理

4．2．2 HPGO形成机理

4．2．3 HMGO形成机理

4．3 本章小结

第五章 聚苯胺纤维／石墨烯复合材料的制备及电化学性能研究

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 原材料

5．2．2 聚苯胺纤维制备

5．2．3 氧化石墨烯制备

5．2．4 聚苯胺纤维／石墨烯复合材料制备

5．2．5 仪器与表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 PANI-F／GNs复合材料结构表征

5．3．2 PANI-F／GNs电极材料电化学测试

5．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间所发表的论文