碳納米片的制備及其性能研究.pdf

1、碳納米片(Carbon nanosheet，CNS)是一種新型二維納米碳材料，以石墨烯(Graphene)為代表，由于其具有較高的比表面積和優(yōu)良的導(dǎo)電性能，在電化學(xué)能量存儲和催化領(lǐng)域備受矚目。本文分別采用球磨天然石墨、還原氧化石墨法、以及模板法制備碳納米片。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)以及熱失重曲線分析(TGA)等對材料形貌和結(jié)構(gòu)進行表征，并通過循環(huán)伏安、恒流充放電、交流阻抗等電化學(xué)分析方法測試其電化學(xué)性能，詳細地

2、考察材料的微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能之間內(nèi)在的聯(lián)系。主要研究內(nèi)容包括：
　　 ⑴以天然石墨(NG)、炭黑(CB)、碳納米管(CNT)為原料，采用機械球磨法制備石墨納米片及其復(fù)合碳納米材料即GNS、GNS/CB、GNS/CNT、GNS/CB/CNT。由于球磨制備出的石墨納米片易堆疊或團聚，所以在天然石墨中摻雜球形炭黑和碳納米管來改善石墨納米片的團聚問題。通過對其電化學(xué)性能測試可知，在掃速為2 mV·s-1時，復(fù)合材料GNS/CB/CNT

3、的比電容達到107.8 F·g-1，而GNS、GNS/CB、GNS/CNT的比電容分別達到82.6 F·g-1、87.7 F·g-1、77.6 F·g-1。當掃速為100 mV/s時，材料GNS、GNS/CB、GNS/CNT、GNS/CB/CNT的比容量保持率分別為34％、41%、49%、45%。從測試結(jié)果可知，復(fù)合材料GNS/CB/CNT的電化學(xué)性能最好，比容量保持率較高，這是因為在球磨中，球形炭黑容易進到石墨片的邊緣，在球磨機械力作

4、用下，易使石墨片剝離成石墨納米片，而炭黑均勻分散在石墨納米片上阻止其團聚，提高了其比表面積，同時碳納米管以其管道連通相鄰的石墨納米片，增大了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，增強了其電化學(xué)性能。通過對這些材料的電化學(xué)分析，復(fù)合材料GNS/CB/CNT是較理想的電極材料。
　　 ⑵采用還原氧化石墨法制備石墨烯。在電壓掃描速率為2 mV·s-1時，石墨烯電極的比容量為124.9 F·g-1，球磨制備的石墨納米片的比容量僅為82.6 F·g-1，到100 m

5、V/s時還原后的石墨烯比電容達到84.6 F·g-1，其比容量保持率為68%。從結(jié)果看還原后的石墨烯比球磨后制備的石墨納米片的電化學(xué)性能要好，這是因為球磨制備的石墨納米片厚而且片大，所以其比表面積?。欢趸谥苽渲幸牒豕倌軋F，其產(chǎn)生的斥力阻止了氧化石墨的團聚，超聲分散成單層氧化石墨烯后在堿性條件下還原，這避免了在還原過程中氧化石墨烯凝聚成團，所以制備出的石墨烯比球磨制備的石墨納米片薄而且片小，有效提高了石墨烯的比表面積，使電解液

6、離子在其內(nèi)部快速傳輸與轉(zhuǎn)移，所以石墨烯的電化學(xué)性能就較好。
　　 ⑶以瀝青為碳源，多孔MgO為模板，通過模板法制備出柱狀多孔碳納米片，其比表面積高達883 m2·g-1。在掃速為2 mV·s-1時，其制備電極的比容量為289.2 F·g-1，當掃速為1000 mV·s-1時，其比容量還能達到180.2 F·g-1，比容量保持率高達62%。這主要是因為所制備的碳材料為3D柱狀多孔碳，它擁有相互連接的開放孔型表面，在兩層碳納米片之間

7、分布著垂直樹立的多孔碳納米柱，這就增大了碳納米片的間距，且每個碳納米片上都有大小均-呈蜂窩狀的介孔，這就大大的增加了其比表面積，使電解液離子不僅在平面多孔碳納米片的孔道內(nèi)傳輸與擴散，還可以在立體空間上通過多孔碳納米柱上擴散，這樣的二級擴散極大地提高了活性材料的電化學(xué)利用率。而利用片狀Mg(OH)2納米片和球形MgO納米顆粒為模板制備的多孔碳納米片，在2 mV·s-1的掃速下，其比容量分別為195 F·g-1、159·2 F·g-1，到1

8、000 mV/s時它們的比容量保持率分別為53%和56%。這些電化學(xué)性能與其微觀結(jié)構(gòu)是緊密相連的，以片狀Mg(OH)2為模板制備的多孔碳納米片，其微觀結(jié)構(gòu)為碳納米片層與層之間相互疊加在一起，但是片層之間有空隙，電解液離子主要是在片層之間傳輸與擴散；而以球形MgO為模板制備的多孔碳納米片，片上有均勻的碗底狀孔型，但是片較厚，所以電解液離子主要是在片上的孔道內(nèi)擴散，而且在片上的孔道擴散速度小于在片層之間的擴散速度，所以以片層Mg(OH)2為