石墨烯/聚苯胺复合中空微球的制备及电性能研究

摘要

随着全球经济快速增长，对能源的需求与日俱增，资源的消耗和环境的污染迫切的需要发展新的可信赖的可持续的能量储存和转换技术，例如:锂离子电池(LIBs)、超级电容器(EC)等。电极材料是影响储能设备性能的关键。石墨烯由于独特的性能在储能器件等领域有很大的应用前景，但是实际比电容较低。聚苯胺(PANI)作为导电聚合物具有比电容高、成本低等优点，但是由于其体积膨胀、破裂和收缩，导致循环寿命较差。将PANI和石墨烯相结合利用其协同效应提高其比电容和循环稳定性被认为是一种行之有效的方法。另外，三维的结构，尤其是中空的结构，可以有效的增加比表面、缩短传质传荷的传输长度。所以三维的石墨烯与聚苯胺复合材料在电极材料中有很大的应用前景。
　　本课题首先利用反相悬浮和炭化过程制备了一种石墨烯炭球(GCS)，经过硝酸处理使GCS表面带上负电荷得到氧化石墨烯炭球(OGCS)，然后苯胺利用静电作用力在GCS表面原位聚合得到不同反应时间的GCS@PANI，最后氧化石墨烯(GO)在GCS@PANI微球表面静电自组装后还原得到一种具有多层结构的石墨烯/聚苯胺中空复合微球(GCS@PANI@RGO)，复合微球的形态和微观结构通过扫描电子显微镜、X射线衍射、X射线能谱、傅里叶红外光谱、X射线光电子能谱、热重分析、氮气吸脱附等表征手段进行表征分析，结果表明GCS@PANI-8具有最规整的结构和晶型，而GCS@PANI@RGO具有良好的多层中空结构，微球的直径约为20μm，壳层的厚度约为4μm，且层与层之间存在多重的相互作用，如:静电相互作用、氢键和π-π共轭。这种制备空心微球的方法不需要模板的去除过程，降低了制备成本。
　　GCS@PANI@RGO复合微球的电化学性能通过循环伏安(CV)、恒电流充放电(GCD)及交流阻抗(EIS)来测试研究。首先，作为超级电容器电极材料，样品GCS@PANI-8@RGGO在5mV s-1的扫描速率下1M H2SO4溶液中展现了一个最高的比电容446.19Fg-1和突出的循环稳定性，在电流密度为2Ag-1时循环1000次，电容保持93.4％，甚至循环至5000次，还可以保持88.7％。将GCS@PANI-8@RGO微球进行半电池测试，结果表明GCS@PANI-8@RGO微球的首放为1161.9mAhg-1，循环50次后的比容量为495.0mA hg-1，倍率性能好。良好的电化学性能可归因于其独特的多层中空结构和GCS、PANI及RGO三者之间的协同效应。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 石墨烯

1．2．1 石墨烯简介

1．2．2 石墨烯的制备

1．2．3 石墨烯的应用

1．3 聚苯胺概述

1．3．1 聚苯胺结构特性

1．3．2 聚苯胺制备方法

1．4 石墨烯／聚苯胺复合材料的研究进展

1．5 超级电容器

1．5．1 超级电容器简介

1．5．2 超级电容器原理

1．5．3 超级电容器研究进展

1．6 锂离子电池

1．7 本课题的研究意义和研究内容

1．7．2 本课题研究内容

第二章 实验药品、仪器及表征

2．1 实验药品

2．2 实验仪器

2．3 材料结构表征方法

2．3．3 X-ray单晶衍射(XRD)

2．3．4 有机元素分析

2．4．1 恒流充放电测试(GCD)

第三章 聚苯胺复合石墨烯炭球的制备及性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．3 聚苯胺复合石墨烯微球(GCS@PANI)的制备

3．3 结果与讨论

3．3．1 氧化石墨烯的形貌和结构分析

3．3．2 GCS@PANI表面形貌分析

3．3．3 红外光谱分析

3．3．4 X-ray衍射分析

3．3．5 元素分析

3．3．6 热重分析

3．3．7 电化学性能分析

3．4 本章小结

第四章 石墨烯／聚苯胺多层中空微球的制备及结构研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．2 石墨烯／聚苯胺多层中空微球(GCS@PANI@RGO)的制备

4．3 结果与讨论

4．3．1 表面形貌分析

4．3．2 红外光谱分析

4．3．3 X-ray衍射分析

4．3．4 元素分析

4．3．5 热重分析

4．3．6 氮气吸脱附分析

4．4 本章小结

第五章 石墨烯／聚苯胺多层中空微球作为超级电容器和锂离子电池电极材料的性能研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 电容器电极片的制备及组装

5．2．2 半电池电极片的制备及组装

5．2．4 循环伏安(CV)测试

5．2．5 交流阻抗(EIS)测试

5．3 结果与讨论

5．3．1 电极材料作为超级电容器性能分析

5．3．2 电极材料组装成半电池的电化学性能分析

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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