石墨烯基二維復(fù)合材料的可控合成及其在能源材料中的應(yīng)用.pdf

1、石墨烯金屬氧化物復(fù)合材料在能源存儲與能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)并展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。目前金屬氧化物在石墨烯表面的生長還存在可控性差、分布不均勻、氧化物顆粒與石墨烯聯(lián)接不緊密等缺點(diǎn)。石墨烯基金屬氧化物復(fù)合材料的應(yīng)用如，在鋰電、電容器等領(lǐng)域的應(yīng)用也存在一些問題：1，導(dǎo)電性差，2，在充放電過程中電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的顆粒粉化。本文主要選用了聚合物作為聯(lián)接體來調(diào)節(jié)氧化物分布、聯(lián)接石墨烯和氧化物以及保護(hù)氧化物顆粒，實(shí)現(xiàn)了金屬氧化物在石墨烯表

2、面的可控生長和有效保護(hù)，并針對不同應(yīng)用設(shè)計(jì)了幾種不同的復(fù)合材料，對這些材料進(jìn)行了相關(guān)表征和性能測試。具體研究內(nèi)容為：
　　(1)碳包覆的二維核殼結(jié)構(gòu)的石墨烯-金屬氧化物復(fù)合材料的制備及其在鋰離子電池中的應(yīng)用：本文使用聚二烯二甲基氯化銨(PDDA)修飾GO表面，使其表面電荷均勻分布，然后與不同金屬鹽（金屬氧化物前驅(qū)體）混合，通過加水使金屬離子原位水解，得到比較均勻的石墨烯-金屬氧化物二維復(fù)合材料，并采用多種表征手段進(jìn)行了表征。隨后針

3、對鋰離子電池的應(yīng)用，我們進(jìn)一步對這種石墨烯-金屬氧化物二維復(fù)合材料進(jìn)行了聚合物的包覆，最后煅燒形成均勻的碳包覆層。這種可控的碳包覆結(jié)構(gòu)大大提高了復(fù)合材料在嵌、脫鋰的過程中的穩(wěn)定性，同時(shí)也提大大提高了材料的導(dǎo)電性。所得材料經(jīng)過表征測試表明，其具有非常高的比容量和優(yōu)異的穩(wěn)定性（如，在200mA g-1充放電速率下循環(huán)100圈后 G@SnO2@C復(fù)合材料容量為800 mAh g-1;G@Fe3O4@C復(fù)合材料的容量則可達(dá)920 mAh g-1

4、）。
　　(2)聚苯胺連接的石墨烯金屬氧化物/氫氧化物二維復(fù)合材料的合成及其應(yīng)用：使用苯胺在GO表面原位聚合得到聚苯胺(PANI)修飾的GO納米片(GO-PANI)，然后將上述GO-PANI納米片水溶液與不同的金屬鹽混合，使金屬離子先與聚苯胺分子鏈上的氨基配位，通過水熱反應(yīng)使金屬鹽水解，得到形貌可控的PANI-金屬氧化物或氫氧化物雜化顆粒均勻分布在石墨烯表面。通過改變聚苯胺的用量，我們可以得到不同尺寸的雜化納米顆粒。通過電容器性能

5、測試，結(jié)果表明所得材料具有優(yōu)異的電容器性能，和良好的循環(huán)穩(wěn)定性（其中，G-PANI-Co3O4(1:10)電極材料在1，2，5，10，和20 Ag-1的充放電速率下的容量分別為1063，1028，952，900和844 F/g，且在1Ag-1下循環(huán)2500圈依然很穩(wěn)定。）另外，這種PANI-金屬氧化物雜化結(jié)構(gòu)的經(jīng)過高溫煅燒得到氮-金屬參雜的二維碳材料，有著良好氧還原催化活性。
　?。?）石墨烯基金屬-氮摻雜二維介孔碳材料的制備及其

6、在氧還原中的應(yīng)用：上述 G-PANI-MOs納米片經(jīng)煅燒后得到的石墨烯基氮-碳包覆金屬顆粒的二維材料，因其結(jié)構(gòu)是二維的碳材料表面包裹了一層分布均勻尺寸可控的金屬納米顆粒。然后可以通過簡單的酸刻蝕的方式，去除其中未與氮配位的金屬顆粒，得到均勻的孔結(jié)構(gòu)同時(shí)提高比表面積。這種方式可以制備不同金屬配位的氮參雜的二維多孔碳材料，本論文工作主要制備了Fe和Co以及FeCo參雜二維多孔材料，制備的材料通過氮?dú)馕摳綔y試結(jié)果表明，材料具有良好的介孔結(jié)構(gòu)