石墨烯基復(fù)合物水凝膠的制備及其性能.pdf

1、石墨烯由于具有獨特的光學(xué)，力學(xué)，以及機械性能，同時兼具超高的比表面積近年來引起了極大的關(guān)注。但要想充分發(fā)揮石墨烯諸多優(yōu)異的性能，必須有效降低石墨烯宏觀材料中片層的堆疊程度，制備自組裝的石墨烯水凝膠便是解決途徑之一。利用石墨烯三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)優(yōu)異的導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性，結(jié)合金屬（氫）氧化物高容量的特性，可以得到兼具高能量密度和高功率密度的碳基復(fù)合電極材料，為獲得高性能的超級電容器電極材料體系提供新的思路。本論文以一些典型的氫氧化物、氧化物、

2、硫化物、碳氮化合物為研究對象，開展功能化石墨烯材料在電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換以及儲能方面的應(yīng)用研究。具體研究成果如下:
　　(1)本文首先將制備的氧化石墨烯(GO)采用一步水熱法獲得石墨烯水凝膠(GH)，并對GO和GH進行系列的結(jié)構(gòu)和形貌表征。結(jié)果表明，通過水熱過程可成功將GO還原為石墨烯水凝膠，TEM和SEM等表征結(jié)果顯示所制得的GH具有較規(guī)整的三維結(jié)構(gòu)。二電極體系下的電化學(xué)測試結(jié)果表明，GH展現(xiàn)出了比凍干后的GH更高的電化學(xué)性能。GH在

3、20A/g的大電流密度下的比電容為103.5F/g，而凍干后的GH只有26.3F/g。當電流密度從2A/g增大到50A/g時，GH的比電容依然能維持初始比電容的81.7％，展現(xiàn)出了良好的倍率性能。
　　(2)采用一步水熱法制備了氫氧化鎳/石墨烯復(fù)合物水凝膠(NGHs)。結(jié)果表明:通過簡單的一步水熱法成功制備了多孔的三維石墨烯復(fù)合物水凝膠，石墨烯片層上的Ni(OH)2納米片尺寸均一，分散均勻，形成的三維結(jié)構(gòu)明顯。Ni(OH)2納米片

4、有效抑制了石墨烯片層的重新堆疊;同時，石墨烯片層也減少了Ni(OH)2納米片的團聚?；谶@種獨特的三維結(jié)構(gòu)以及Ni(OH)2和石墨烯之間的協(xié)同作用，相對于純的石墨烯水凝膠(GH)和Ni(OH)2納米顆粒而言，復(fù)合物水凝膠的電化學(xué)性能得到了顯著的提升。NGH75（Ni(OH)2與GO的負載比為7.5∶1）表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能，高比電容，良好的倍率性能和循環(huán)性能，在0.5A/g的電流密度下比電容達到1125.4F/g，分別是Ni(OH)

5、2和GH的近2.2和8.1倍;循環(huán)1000次后，維持了87.3％的電容，高于Ni(OH)2的75.3％。
　　(3)氧化鎳(NiO)作為鋰離子電池的正極材料，具有較高的比容量。煅燒凍干后的氫氧化鎳/石墨烯復(fù)合物水凝膠制備可得多孔結(jié)構(gòu)的復(fù)合物氣凝膠(NiO/G)。SEM等表征結(jié)果表明，NiO/G在微觀上延續(xù)了NGH75的三維孔道結(jié)構(gòu)，其鋰電性能優(yōu)于NiO。NiO/G在第一圈的放電和充電容量分別為1349和992mAh/g，其庫倫效率

6、(73.5％)比NiO庫倫效率(70.9％)有所提高。在30圈的循環(huán)之后，NiO/G依然能維持881mAh/g的比容量。經(jīng)歷90次的充放電循環(huán)后，當NiO/G的電流密度回到初始的100mA/g時，其比容量可恢復(fù)到初始比容量的47.3％，比NiO恢復(fù)到初始比容量的30.0％有了顯著提升。
　　(4)氧元素和硫元素作為同族元素，有著很多類似的性質(zhì)。基于此，考察了硫化物/石墨烯復(fù)合物水凝膠的制備與電化學(xué)性能。以硫化鈷作為考察對象，采用兩

7、種不同的沉淀劑分別制備了無定型CoS/石墨烯復(fù)合物水凝膠（CGH硫化鈉）和六方晶相的CoS/石墨烯復(fù)合物水凝膠（CGH硫脲），分別討論了兩種復(fù)合物水凝膠的形成機理。TEM、SEM等表征結(jié)果說明CoS納米顆粒成功與石墨烯復(fù)合，且通過化學(xué)鍵等作用形成了自支撐的三維結(jié)構(gòu)。以硫脲作為沉淀劑得到的六方晶相的CoS/石墨烯復(fù)合物水凝膠（CGH硫脲）展現(xiàn)出了更優(yōu)異的電化學(xué)性能，在1A/g的電流密度下的比電容達564.5F/g，是CGH硫化鈉和CoS硫

8、脲的1.2和1.3倍，且在0.5A/g的電流密度下進行2000圈的充放電循環(huán)后，比電容仍能保留初始比電容的95.6％。
　　(5)石墨相氮化碳(g-C3N4)由于具有優(yōu)異的化學(xué)和光物理性質(zhì)，是一種獨特的光催化劑和電催化劑，還兼具高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性。以鹽(NaCl)輔助球磨后的雙氰胺(Dicyandiamide)作為前驅(qū)體制備了三維結(jié)構(gòu)的氮化碳(g-C3N4)光催化劑。研究了新型三維結(jié)構(gòu)g-C3N4的形成機理，并探討了NaCl的用量

9、對g-C3N4光催化產(chǎn)氫性能的影響。將得到的g-C3N4通過水熱法與石墨烯復(fù)合形成g-C3N4/石墨烯復(fù)合物水凝膠，進一步探索該復(fù)合物的光催化性能。NaCl輔助制備的g-C3N4(D90)的比表面積比由雙氰胺直接煅燒得到的塊體g-C3N4的比表面積增大了約7倍，這使得其產(chǎn)氫速率也由塊體g-C3N4的4.1μmol/h提升至21.7μmol/h，約為塊體g-C3N4的5.3倍。制備得到的g-C3N4/石墨烯復(fù)合物水凝膠具有良好的自支撐結(jié)構(gòu)