三维碳材料组装、掺杂及其用于能量存储与转换

摘要

新型碳纳米材料一直是人们的研究热点。新型纳米碳材料有许多种，而由sp2杂化轨道碳如富勒烯，碳纳米管和石墨烯为基元制备的新型纳米碳更是研究的热点。这是由于这些纳米基元构成的碳的导电性非常好，同时还具有许多其他的优异特性。在对新型纳米碳的制备过程中，除了组装各类sp2基元碳，还对材料进行掺杂，引入缺陷，通过活化增加其比表面积和调控孔径分布，最终制备的新型碳在能量存储如超级电容器和锂离子电池中有非常好的电化学性能。
　　我们首先通过石墨烯组装石墨纸，这一组装是通过对氧化石墨烯膜进行退火还原实现的。石墨纸具有类似石墨的结构，同时密度较低，并且其产量可以达到大规模工业生产的要求，尺寸可达至少20×20 cm2的大小，同时厚度可以调节。石墨纸具有高碳纯度，良好的热稳定性，优良的导电性和良好的导热性，并能将电能转化为光能，即热致发光。
　　我们进一步通过活化石墨烯制备三维碳，这一过程中涉及到以海绵为模板，并通过KOH活化最终制备三维多孔碳。同时，我们还通过活化富勒烯制备了新型纳米碳，其中使用过量的KOH活化富勒烯时能够制备碳量子点，而适量的KOH则会制备出三维多孔碳，其比表面积较大且微孔占大部分。并且对这一多孔碳进一步在活化过程中通入氨气以对其进行有效的氮掺杂，同时通过实验参数的控制可以有效的调控掺氮量。上述这些三维碳在能量存储领域如超级电容器及锂离子电池中都具有非常优异的电化学性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 概述

1．2 石墨烯组装及掺杂

1．2．1 石墨烯的基本介绍

1．2．2 氧化石墨烯组装薄膜

1．2．3 石墨烯组装三维碳

1．2．4 氧化石墨烯组装三维碳并掺杂

1．3 C60组装三维碳

1．3．2 C60组装三维多孔碳

1．3．3 对三维多孔碳的进一步优化

1．4 超级电容器

1．4．1 超级电容器的原理

1．4．2 超级电容器的结构

1．4．3 超级电容器的优化

1．5 锂离子电池

1．5．1 锂离子电池的原理

1．5．2 锂离子电池的结构

1．5．3 锂离子电池的优化

1．6 本章小节

第2章 表征手段和分析方法

2．1 主要表征手段和仪器介绍

2．1．1 石墨纸的表征

2．1．2 碳材料的表征

2．2 多孔碳材料的比表面积和孔径分析

2．3 超级电容器的测试及电化学分析

2．4 锂离子电池的测试及电化学分析

2．5 本章小节

第3章 石墨纸热致发光

3．1 背景介绍

3．2 样品制备

3．3 石墨纸表征

3．4 热致发光

3．5 本章小结

第4章 三维碳的制备和表征

4．1 碳材料的制备

4．1．1 活化石墨烯制备多孔碳

4．1．2 过量的KOH活化富勒烯制备碳量子点

4．1．3 活化富勒烯制备三维多孔碳及对其掺氮

4．2 多孔碳和碳量子点表征

4．2．1 多孔碳表征

4．2．2 碳量子点表征

4．3 活化C60和掺氮的活化C60表征

4．4 本章小结

第5章 三维碳在能量存储中的应用

5．1 三维碳在超级电容器中的应用

5．1．1 多孔碳和碳量子点在超级电容器中的应用

5．1．2 活化C60和掺氮的活化C60在超级电容器中的应用

5．2 掺氮的活化C60在锂离子电池中的应用

5．3 掺氮的活化C60吸附锂离子的机理研究

5．3．2 曲率作用的研究

5．3．3 掺氮作用的研究

5．4 本章小节

第6章 总结和展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果