石墨烯-合金復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制備及其熱電性能、電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能研究.pdf

1、石墨烯是一種由碳原子組成的二維周期蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料，具有高的電導(dǎo)率和遷移率、大的比表面積、良好的機(jī)械強(qiáng)度及熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)，因此是理想的復(fù)合材料組元。由于石墨烯優(yōu)異的物理化學(xué)性能，石墨烯復(fù)合材料在能源轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)方面的應(yīng)用也被認(rèn)為具有廣闊前景。尤其在熱電材料和鋰離子電池領(lǐng)域，石墨烯復(fù)合材料被廣泛關(guān)注。本文設(shè)計(jì)和制備了石墨烯-合金復(fù)合材料，研究了它們的熱電性能或電化學(xué)吸放鋰性能。具體研究了石墨烯-CoSb3(CoSb3/G)體系、石墨烯-P

2、bTe(PbTe/G)體系的熱電性能以及石墨烯-錫基合金復(fù)合物(CoSn2/G和FeSn2/G)的電化學(xué)吸放鋰性能。主要成果可以歸結(jié)如下:
　　提出納米化結(jié)合復(fù)合化的策略提高p型CoSb3體系的熱電性能。采用溶劑熱法制備了CoSb3/G納米粉末，其中CoSb3顆粒尺寸約為5-10 nm。由于石墨烯的存在，經(jīng)過(guò)600℃熱壓燒結(jié)2h后的復(fù)合材料中CoSb3晶粒尺寸仍保持在100nm左右，遠(yuǎn)小于純CoSb3試樣的顆粒尺寸。熱電性能研究發(fā)

3、現(xiàn)，與含量為1.5 wt％的石墨烯原位復(fù)合后，材料的室溫電導(dǎo)率從約11000提高到了51000 Sm-1，室溫晶格熱導(dǎo)率從1.05降低到了0.9 Wm-1 K-1。CoSb3/G試樣在800 K時(shí)zT值達(dá)到0.61，而純CoSb3僅為0.26。體系電導(dǎo)率的提高是由于石墨烯對(duì)體系載流子濃度和載流子遷移率的共同提高。體系晶格熱導(dǎo)率的降低是由于均勻分散的石墨烯造成更多界面散射。
　　采用共沉淀法制備了CoSb3/G的前驅(qū)體，將前驅(qū)體在不

4、同氣氛（氫氣和氫氮混合氣）中燒結(jié)得到CoSb3/G復(fù)合材料。熱電測(cè)試發(fā)現(xiàn)，石墨烯的引入提高了體系電導(dǎo)率并降低了熱導(dǎo)率，這與溶劑熱結(jié)合熱壓法制備的CoSb3/G試樣類(lèi)似。說(shuō)明在不同合成工藝或合成條件下，石墨烯的引入都能在一定程度上提高電導(dǎo)率并降低熱導(dǎo)率。采用溶劑熱法制備了PbTe/G復(fù)合物，尺寸為100-200 nm的PbTe立方體顆粒被包裹在石墨烯片層中。由于石墨烯的存在，經(jīng)過(guò)600℃熱壓燒結(jié)2h后，PbTe的納米結(jié)構(gòu)仍得到保留。熱電性

5、能研究發(fā)現(xiàn)，相比于純PbTe，復(fù)合材料的室溫電導(dǎo)率從約1300提高至22000 S m-1，室溫晶格熱導(dǎo)率從1.15降低到了0.85 W m-1 K-1，這與溶劑熱結(jié)合熱壓法制備的CoSb3/G復(fù)合材料結(jié)果類(lèi)似。說(shuō)明對(duì)于不同材料體系，石墨烯的引入都能提高體系電導(dǎo)率并降低晶格熱導(dǎo)率。通過(guò)模型化處理發(fā)現(xiàn)石墨烯復(fù)合熱電材料的電導(dǎo)率遵循滲流理論。在滲流閾值以下，隨著石墨烯含量增加，體系的電導(dǎo)率也隨之增大。用有效介質(zhì)理論分析復(fù)合材料熱性能變化，發(fā)

6、現(xiàn)石墨烯對(duì)體系熱導(dǎo)率的影響依賴(lài)于石墨烯在基體中的分散狀態(tài)。
　　采用一步溶劑熱法制備了CoSn2/G和FeSn2/G復(fù)合物。兩種復(fù)合物均呈現(xiàn)夾層結(jié)構(gòu)，細(xì)小的納米顆粒均勻分布在石墨烯片層上及片層間，其中CoSn2/G中CoSn2顆粒尺寸僅為2-4 nm，F(xiàn)eSn2/G中FeSn2顆粒尺寸為10-30 nm。對(duì)復(fù)合材料及其相應(yīng)合金的電化學(xué)性能對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)石墨烯的引入顯著提高了材料的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性及倍率性能。電化學(xué)性能的改善可以歸功