氮摻雜石墨烯泡沫及聚苯胺纖維-石墨烯復(fù)合材料研究.pdf

1、超級(jí)電容器因其具有高功率密度，高倍率性能以及長(zhǎng)使用壽命引起國內(nèi)外廣泛的關(guān)注，然而，較低的能量密度阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和優(yōu)異力學(xué)、電學(xué)及熱學(xué)性能的石墨烯作為材料科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的明星成為當(dāng)前電極材料的研究熱點(diǎn);然而，還原氧化石墨烯在材料制備過程中容易發(fā)生團(tuán)聚和堆疊而導(dǎo)致超級(jí)電容器容量降低。為此，研究者開拓了多種方法包括填充物的引入，石墨烯的摻雜以及多級(jí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑等，通過這些方法，可以防止石墨烯片層的團(tuán)聚而且由于活性功能基團(tuán)的引入增

2、加了整體電容。截至目前，有很多方法用來制備氮摻雜石墨烯，如含氮前驅(qū)體化學(xué)氣相沉積、含氮?dú)夥窄h(huán)境弧放電、電熱反應(yīng)及熱處理等。然而，這些方法需要苛刻的條件和復(fù)雜的設(shè)備，并且有時(shí)產(chǎn)量低卻有高的成本。因此，綠色可控制備具有高比電容卻沒有犧牲優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性的電極材料變得越來越重要。
　　基于以上討論，本文通過添加三種還原摻雜劑借助一步水熱反應(yīng)制備了氮摻雜石墨烯泡沫，并且探討了實(shí)驗(yàn)條件對(duì)氮摻雜石墨烯電化學(xué)性能的影響。另外，探討了石墨烯泡沫力學(xué)

3、及體積相變，借助多種表征對(duì)氮摻雜類型及含量形成機(jī)制進(jìn)行了探討。最后我們通過水熱反應(yīng)制備了高電化學(xué)性能聚苯胺纖維/石墨烯復(fù)合材料。具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)一步水熱法制備氮摻雜石墨烯泡沫及其電化學(xué)性能影響因素探究。分別以鄰苯二胺、間苯二胺和對(duì)苯二胺為還原摻雜劑，經(jīng)水熱反應(yīng)，成功制備氮摻雜石墨烯泡沫，分別考察投料比、水熱溫度以及水熱時(shí)間對(duì)材料電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)180℃水熱7h投料比(m(OPD/GO))為1條件下所制各

4、樣品HOGO1電化學(xué)性能最佳，在1A/g電流密度下比電容達(dá)到645F/g，而且在50A/g電流密度下仍能達(dá)到500F/g，20A/g電流密度充放電1000次電容保留97.6％;當(dāng)120℃水熱12h投料比(m(PPD/GO))為5條件下所制各樣品HPGO5電化學(xué)性能最佳，在1A/g電流密度下比電容達(dá)到467F/g，而且在50A/g電流密度下仍能達(dá)到285F/g，20A/g電流密度充放電1000次電容保留91％;當(dāng)150℃水熱12h投料比(

5、m(MPD/GO))為10條件下所制各樣品HMGO10電化學(xué)性能最佳，在1A/g電流密度下比電容達(dá)到365.7F/g，而且在50A/g電流密度下仍能達(dá)到100F/g，20A/g電流密度充放電1000次電容保留83％。
　　(2)石墨烯泡沫結(jié)構(gòu)表征及摻雜氮種類形成過程探討。利用SEM、TEM、Raman、XRD和XPS等表征手段對(duì)石墨烯泡沫進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。通過結(jié)構(gòu)表征結(jié)合電化學(xué)性能探討三種還原摻雜劑氮摻雜實(shí)現(xiàn)過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn):鄰苯二胺有

6、利于Quaternary-N的形成;問苯二胺有利于Pyridinic-N的形成;對(duì)苯二胺有利于Pyrrolic-N的形成。
　　(3)高電化學(xué)性能聚苯胺纖維/石墨烯復(fù)合材料制備。聚苯胺納米纖維(PANI-F)與氧化石墨烯(GO)經(jīng)組裝后，進(jìn)行水熱反應(yīng)，制備了PANI-F/rGO（還原的氧化石墨烯）復(fù)合材料。利用掃描電子顯微鏡(SEM)，傅立葉紅外光譜儀(FT-IR)，X射線粉末衍射儀(XRD)對(duì)樣品形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。同時(shí)，借助循