论文部分内容阅读
石墨烯是目前发现的最理想的二维纳米材料。其极高的强度、出色的导电和导热性能激发了科学家们极大的研究兴趣,在电子学、吸附、催化、能源储存等领域得到广泛应用。然而石墨烯表面光滑且呈惰性,这很不利于它和其它材料的结合,所以在近些年来,对石墨烯进行掺杂成为了拓展石墨烯应用领域的重要方法。本文以石墨烯为主体材料,充分利用其独特的微观结构和优异的性能制备出电化学性能良好的氮掺杂石墨烯。采用SEM,TEM,XRD,Raman,BET,XPS,CV,GCD等测试方法对氮掺杂石墨烯的相关性能进行表征,探索氧化石墨稀的加入量对形成的复合材料结构和电化学性能等方面的影响。SEM和TEM分析表明:当加入的氧化石墨烯的含量为3.75%时,合成的氮掺杂石墨烯呈现出无序、透明、褶皱的薄纱状,且褶皱程度要明显高于rGO。XPS分析表明,氮元素成功掺杂进石墨烯晶格中,含量为5.29%。BET结果表明,氮掺杂石墨烯的比表面积显著增大,能达到554.32 m2/g。电化学测试结果表明:氮掺杂石墨烯的比电容达最高可达312 F/g,比rGO高出了4.69倍,而且经过10000次循环后,比电容仍可维持在94.5%,显示出较高的比电容和良好的循环寿命。KOH化学活化会对氮掺杂石墨烯的结构和性能产生巨大影响,研究不同活化倍数的实验结果,探索出KOH活化法制备氮掺杂石墨烯的最佳工艺条件。测试结果表明:在活化温度800℃下,KOH的活化倍率从1.0到7.0的处理结果发现,活化之后的样品的比电容和比表面积都获得了较大的提高,而且在活化倍数为3.0时达到最大值,此时的比表面积高达554.32 m2/g,比电容为312 F/g,比未活化的高出了3.2倍,显示出良好的放电容量和较好的倍率性能;然而在活化倍数达到更高的数值时,比电容值和比表面积都开始下降,这种结果主要是因为过度活化造成孔结构的毁坏塌陷。再以氧化石墨烯作为前驱体,固化后密胺树脂作为氮掺杂剂,采用水热法成功制备了石墨烯基气凝胶,最后进行炭化得到超级电容器电极材料。采用XRD,TEM,SEM,TG,Raman,CV,GCD等对其结构和电化学性能进行表征,结果表明:所制备的气凝胶均具有蜂窝状的孔隙结构,石墨烯片层排布规整,孔洞均匀,孔隙较大,呈现三维有序网络结构和多重的孔隙结构,并且密胺树脂的附着良好,分散均匀。和石墨烯气凝胶相比,GO/MF气凝胶的电化学性能显著提高,在电流密度为0.1 A/g时,比电容为106 F/g。这主要归因于材料拥有中空的三维有序网络结构,具有丰富的孔隙结构,有利于离子在电解液中的传输。而且适宜的氮原子也有益于提高电化学性能。这项研究对以后聚合物-石墨烯以及氧化物-石墨烯的研究具有重要的意义。