氮摻雜石墨烯的化學選擇性合成及其電化學儲能和催化性質(zhì)研究.pdf

1、石墨烯作為一種獨特的二維材料，具有高比表面積(2600m2g-1)、高電導率、優(yōu)異的機械性能和化學穩(wěn)定性等優(yōu)點，在能源存儲及轉(zhuǎn)化方面具有極大的應用前景。但石墨烯片之間非常強的π-π相互作用促使片間堆疊，從而使比表面積降低，導致性能下降。在眾多改性石墨烯的方法中，氮原子摻雜一直是人們關注的焦點。但目前摻雜方法通常需要高溫高壓等嚴苛的條件，制備成本比較高，并且難以精準地控制氮原子摻雜的類型與含量。與此同時，構(gòu)筑石墨烯三維結(jié)構(gòu)也是一種避免石墨

2、烯片堆疊的方法，但目前通常使用模板法制備，過程繁瑣，獲得的三維石墨烯的電導率也較低。本文中，我們旨在溫和條件下通過特定的化學反應合成氮摻雜石墨烯，調(diào)控其中摻雜氮原子的類型與含量，獲得高性能的氮摻雜石墨烯材料，并詳細研究其電化學性能。主要研究內(nèi)容如下:
　　1、以氨基胍為還原劑，通過氨基胍與氧化石墨烯(GO)中α，β-不飽和酮的選擇性成環(huán)反應，在溫和條件下(60℃)合成了富含吡唑環(huán)結(jié)構(gòu)的氮摻雜石墨烯(PNG)，氮含量高達9.6wt％

3、。該PNG材料展現(xiàn)出了優(yōu)異的電容和電催化活性。在酸性電解質(zhì)中，PNG超級電容器可達到226F g-1的比電容，30.3Wh kg-1的能量密度和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。在中性電解質(zhì)下，PNG超級電容器可以在高達1.4V的電壓下運行，并且可提供35.8Wh kg-1的高能量密度。同時，作為堿性溶液中析氧反應(OER)的電催化劑，PNG僅需要394mV的過電勢便可達到20mA cm-2的電流密度，并在16h內(nèi)保持穩(wěn)定。PNG的OER催化活性和穩(wěn)定

4、性優(yōu)于貴金屬基催化劑IrO2。這些出色的性能使PNG成為超級電容器和電催化析氧反應的雙功能活性材料。
　　2、將氮原子摻雜與構(gòu)筑三維結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，通過三步法制備了柔性三維氮摻雜石墨烯泡沫。1）首先以1，3-二氨基胍為還原劑，合成了具有吡唑環(huán)結(jié)構(gòu)及高比電容性質(zhì)的氮摻雜石墨烯片(NG);2)然后，結(jié)合抽濾和冷凍干燥的方法將NG組裝形成氮摻雜石墨烯泡沫(NGM);3)最后，通過微波處理NGM以提高其電導率，得到微波處理后具有獨特的微囊狀

5、片層結(jié)構(gòu)的氮摻雜石墨烯泡沫(M-NGM)。M-NGM具有三維分層多孔結(jié)構(gòu)、高氮含量(6.6wt％)和高導電率(15S cm-1)等優(yōu)點，且M-NGM柔性電極在不使用集流器的情況下便可組裝成超級電容器，可提供364F g-1的高比電容及894mF cm-2的面電容值，12.2Wh kg-1的能量密度。再加上良好的循環(huán)穩(wěn)定性（10000次GCD循環(huán)后電容保持率為100％）和機械穩(wěn)定性（500次彎曲循環(huán)后電容保持率為97％），M-NGM柔性超