氮/硫共掺杂三维石墨烯的结构调控及其电化学性能的研究

摘要

石墨烯是一种具有完美导电性、优异机械强度的单层石墨，由于其优异的物理化学性质已经在凝聚态物理、能量储存和转换以及生物医学等领域广泛研究。在储能方面，相比传统的锂电负极石墨，石墨烯可以双面吸附锂离子，被认为其理论容量是石墨的两倍。然而石墨烯极易发生重堆叠，并且其非极性特征限制了石墨烯在储能方面的应用价值。针对以上问题，目前对石墨烯常见的改性方法有异原子掺杂和构造三维结构。 本文结合异原子掺杂和构造三维结构同时改性石墨烯，通过软模板法，与过渡金属硫化物复合以及与碳纳米管复合等方法构造多级的三维结构，并调控了异原子的掺杂量和掺杂配置来研究掺杂三维石墨烯在储锂、储钠上的电化学性能。 具体研究内容如下： （1）采用三聚氰胺和三聚硫氰酸超分子聚合生成软模板的方法辅助氧化石墨烯自组装形成氮/硫共掺杂三维石墨烯结构。利用掺杂硫原子调控掺杂氮原子的配置，以此生成更多的石墨氮，来促进锂离子电池的动力学性能。调控原子配置之后，该电极在5A g-1的电流密度下循环1000圈，容量仍稳定在589mAh g-1左右。另外通过控制热处理温度来控制异原子的掺杂量，当热处理温度达到一定温度时，掺杂氮的含量随着温度的升高而减小，掺杂硫的含量随着温度的升高而降低。在热处理温度为650℃时，异原子掺杂总量最多，其储锂容量也最高，在100圈循环之后容量仍稳定在1147.0mAh g-1（电流密度0.1A g-1）。 （2）利用三聚硫氰酸同时作为硫掺杂剂、软模板剂以及硫化剂制备了氮硫共掺杂三维石墨烯与过渡金属硫化物（Ni3S2，FeS，Co8S9）的复合材料。结果表明，Ni3S2@NSGN、FeS@NSGN和Co8S9@NSGN的首次充电容量分别为455.4mAh g-1、640.3mA h g-1和446.3mA h g-1；在循环100圈之后，其容量保持率分别为98%、68%和97%。 （3）采用钴原子催化热解碳的作用，制备了一种掺杂三维石墨烯和碳纳米管的复合的具有多级结构的材料，将该复合材料应用在钠离子电池负极材料上，结果表明该电极在5A g-1的电流密度下仍有102mA h g-1的容量。

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 掺杂石墨烯制备方法

1.3 三维石墨烯的制备方法

1.4 石墨烯在电池材料上的应用

1.5 选题依据、主要内容及创新点

2 实验方法

2.1 实验原料及仪器设备

2.2 材料分析表征方法

2.3 电池的组装和性能测试

3 氮硫共掺杂三维石墨烯的制备及其储锂性能的研究

3.1 引言

3.2 制备氮硫共掺杂三维石墨烯电极

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

4 MSs@NSGN复合材料的制备及储钠性能研究

4.1 引言

4.2 MSs@NSGN复合材料的制备

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 NSGN/CNT复合结构的储钠性能的研究

5.1 引言

5.2 NSGN/CNT复合结构的合成

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及专利成果

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