氮掺杂和SnO_2纳米粒子负载对全固态对称型石墨烯超级电容器性能的影响（英文）

电极材料是影响超级电容器性能的主要因素。本研究采用溶剂热法合成石墨烯和氮掺杂石墨烯,通过简单的化学法在其表面负载SnO2纳米粒子。利用刮涂工艺在FTO玻璃表面制备石墨烯、SnO2/石墨烯、氮掺杂石墨烯和SnO2/氮掺杂石墨烯薄膜,并经400℃热处理。分别以制备的石墨烯基薄膜和PVA/H3PO4为电极和电解质组装对称型全固态超级电容器。测试结果表明,与石墨烯相比,氮掺杂石墨烯具有较大的晶粒尺寸、较高的比表面积和较高的超电容性能;SnO2纳米粒子负载可显著提高石墨烯和氮掺杂石墨烯的超电容性能。     

氮掺杂和SnO2纳米粒子负载对全固态对称型石墨烯超级电容器性能的影响

电极材料是影响超级电容器性能的主要因素。本研究采用溶剂热法合成石墨烯和氮掺杂石墨烯, 通过简单的化学法在其表面负载SnO₂纳米粒子。利用刮涂工艺在FTO玻璃表面制备石墨烯、SnO₂/石墨烯、氮掺杂石墨烯和SnO₂/氮掺杂石墨烯薄膜, 并经400℃热处理。分别以制备的石墨烯基薄膜和PVA/H₃PO₄为电极和电解质组装对称型全固态超级电容器。测试结果表明, 与石墨烯相比, 氮掺杂石墨烯具有较大的晶粒尺寸、较高的比表面积和较高的超电容性能; SnO₂纳米粒子负载可显著提高石墨烯和氮掺杂石墨烯的超电容性能。     

聚酰亚胺基氮掺杂碳电极材料的制备及电化学性能研究

由于氮掺杂多孔碳材料不仅保留原有材料的高比表面积、高孔隙率和发达的孔道结构等优势,还兼具杂原子良好的润湿性能和导电性,被广泛应用于超级电容器电极材料的研究。以均苯四甲酸二酐(PMDA)和4,4′-二氨基二苯醚(ODA)为原料,通过水热法,在高温高压的条件下,分子链进行“自上而下”的折叠,形成三维纳米微球结构。借助对纳米球的高温热解,使氮元素保留在碳材料中,得到含有大量微孔和介孔结构的掺杂氮碳微球。当碳化温度达到800℃时,PI碳球具有709.39m²/g的高比表面积和良好的氮掺杂率,很大程度上提高了此类电极材料的比电容和润湿性能。电化学测试表明,当扫描速率为0.5A/g时,电极材料能够达到253.6F/g的比电容,且在电流密度达到10A/g时,电极材料的电容保持率为59.6%。同时,在循环10000次后,比电容保持率出现涨幅达到105%,具有优异的循环稳定性。综上,通过自组装和氮掺杂的有效结合,制备的3D氮掺杂多孔碳微球具有理想的电化学性能,为制备超级电容器电极材料提供了一种可供参考的工艺。     

杂原子掺杂三维石墨烯水凝胶的制备及电化学性能

采用水热法分别制备了氮、磷、硫等杂原子掺杂的三维石墨烯水凝胶电极材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)、拉曼光谱仪、X射线衍射仪(XRD)和光电子能谱仪(XPS)对材料的微观结构进行了分析,并利用电化学方法对材料的电化学性能进行了研究。结果表明:氮、磷、硫等杂原子掺杂入石墨烯晶格,掺杂的石墨烯呈现三维多孔层状形貌。杂原子的掺杂均有利于提高石墨烯的电化学性能,其中以磷掺杂石墨烯电极材料的性能最佳,原子半径最大的P掺杂使石墨烯晶格畸变加剧,比表面积显著增大进而保证了电解质在材料中的快速嵌入和脱出。在1 mol/L H_2SO_4的电解液中,电流密度为1 mA/cm~2时,其比容量388 F/g,组装成对称双电极电池装置,其能量密度在1 A/g的电流密度下可达到25.2 Wh/kg。优异的电容性能主要源于杂原子掺杂所提供的法拉第赝电容。     

自支撑氮掺杂石墨烯纸柔性电极的制备及其储锂性能的研究

以氧化石墨烯(GO)为原料,尿素为氮掺杂剂,采用固/气界面水热反应的方式,即在反应釜内将GO抽滤得到的氧化石墨烯纸(GOP)与尿素分解产生的氨蒸气相互作用,成功制备出自支撑氮掺杂石墨烯纸(NGP)。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱(RS)、X射线光电子能谱(XPS)和电化学测试对样品进行形貌结构及电化学性能的表征。测试结果表明:水热条件下尿素能有效地实现氧化石墨烯纸的氮掺杂,氮掺杂量为7.89%;氮掺杂石墨烯纸在100mA/g和500mA/g的电流密度下,充放电循环100周之后,放电比容量可分别保持在288mAh/g和190mAh/g。采用改进的固/气界面水热反应法制备的氮掺杂石墨烯纸较未掺杂石墨烯纸可逆比容量提高了近2.5倍,具有良好的循环稳定性,可为制备高性能的柔性锂离子电池负极材料提供新方法。     

水热组装法制备碳纳米管网状支撑氮掺杂多孔碳材料及其储能特性研究

采用水热组装法制备了碳纳米管/氮掺杂多孔碳复合电极材料。通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、N2吸附-脱附(BET)和X射线光电子能谱(XPS)表征了复合材料的微观形貌和结构;并采用循环伏安法、恒流充放电和交流阻抗谱测试了复合材料的储能特性。结果表明,水热组装法成功地合成了具有高比表面积(1 039m~2/g)的碳纳米管/氮掺杂多孔碳复合材料。并且该复合材料表现出优异的储能特性,在1A/g下,其比电容高达261F/g,远远高于氮掺杂多孔碳(214F/g)和碳纳米管(109F/g)的比电容;在功率密度为10 500 W/kg下其能量密度仍为53.75 Wh/kg。     

基于POSS-SH模板硅酸钴复合材料的制备、结构及电化学性能研究

在众多能量存储和转化器件中,超级电容器由于具有功率密度高、充放电迅速和优异的循环性能的优点而被广泛研究。然而,较低的比容量和能量密度,限制了超级电容作为大尺度能量存储和转化器件的广泛应用。为了提高超级电容器的比容量,需要增大电极材料和电解质的接触面积,进而促进电极材料获取/释放电解质中的离子。此外,增加电极材料电化学性能的另一种有效途径为引入S、N等非金属原子掺杂。该种方法可以改善材料的电子特性从而改善电化学性能。在此,采用具有致孔剂和S掺杂功能的巯基-POSS作为模板,通过简单的溶剂热法联合高温煅烧实验方案,实现了均匀介孔的S掺杂Co_2SiO_4纳米结构材料(S-Co_2SiO_4),S-Co_2SiO_4的比表面积高达143.58 m~2/g。比容量在电流密度为1 A/g时比电容达到1 125.3 F/g,且有着较好的倍率性能,在电流密度从1 A/g增大到9 A/g时,初始电容保留值达73.9%。     

以氧化石墨为基质制备石墨烯/聚苯胺复合材料及其电化学性能

利用以苯胺与过硫酸铵制备的聚苯胺和改进的Hummers法制备的氧化石墨烯(GO)为原料,将聚苯胺分散于GO浊液中,再对GO进行还原,制备超级电容器电极材料石墨烯(RGO)/聚苯胺(PANI)复合材料(GRP),利用X射线衍射(XRD)对其结构进行了表征,并对复合材料电化学性能进行了测试。结果表明,复合材料展示良好比电容特性,同时又具有稳定电化学性能。GRP在0.1A/g的电流密度下比电容达到510F/g,1.0A/g电流密度下比电容为485F/g,经过2000次的充放电循环后比电容保持率为92%,即复合物比电容远大于石墨烯,在化学稳定性上远好于PANI。放电响应效率高,在电极中电解质离子容易扩散和迁移。     

纳米MoS2及MoS2-RGO纳米复合材料的制备与电化学性能研究

高性能电极材料的开发是推广新型储能器件的核心所在。二硫化钼(MoS_2)呈现类石墨烯结构,其二维层间具备良好的电荷储存能力。然而MoS_2本身导电性能较差,用于电极材料时需要与其它材料复合以提升导电性能。采用水热法,并分别选用抗坏血酸和硫脲作还原剂,制备得到两种不同形貌结构的纳米二硫化钼。以石墨烯为模板,采用水热法在石墨烯表面生长纳米结构MoS_2,制备得到二硫化钼-还原氧化石墨烯(MoS_2-RGO)纳米复合材料,通过循环伏安测试(CV)和恒电流充放电测试(CP)考察了复合材料的电化学性能。实验结果表明,MoS_2-RGO纳米复合材料呈现平面双电层电容性能,电流密度为1 A/g时,其比电容值达136.2 F/g。     

氮/磷双掺杂聚吡咯基多孔碳的制备和电容特性

以聚吡咯为碳源,通过一步碳化-活化法制备了氮/磷双掺杂分级孔结构的多孔碳。在6mol/L KOH和1mol/L Na2SO4电解液中研究了所制备多孔碳的电化学电容性能。研究表明,活化后的碳材料A-Z0比表面积高达1 433m~2/g,总孔体积为0.96cm~3/g,氮和磷元素的含量分别为1.78%和0.24%,证明A-Z0为氮/磷双掺杂的高比表面积的多孔碳。由于高的比表面积、分级孔道结构以及氮/磷官能团的协同作用,A-Z0材料表现出较为优异的电化学特性。在电流密度为0.5和30A/g时,其比电容分别达到209.3和176F/g,显示出高的比电容和倍率特性。此外,该材料也显示出优异的循环稳定性(4A/g下循环10 000圈后电容保持率为98%)。在中性电解液中,A-Z0组装成的对称两电极电容器呈现出高的能量密度(13.3 Wh/kg),表明该材料在超级电容器等领域具有潜在应用前景。     

羧基功能化和表面活性剂修饰对石墨烯电化学性能的影响

通过简单的两步溶液法对石墨烯进行羧基接枝和表面活性剂修饰, 并研究其电化学性能。研究结果表明, 与纯石墨烯(比电容50 F/g)相比, 表面活性剂本身并不能有效提高石墨烯的比电容(45 F/g), 羧基功能化可以将石墨烯的比电容提高至130 F/g。而羧基功能化和表面活性剂修饰双处理工艺能够将石墨烯的比电容提高到230 F/g, 且经800次充放电循环后其比电容仍然具有95%的保持率, 表明该材料具有良好的循环稳定性。因此, 调控石墨烯的表面化学特性对提高其电化学性能具有重要的意义。     

石墨烯的种类对剑麻纳米纤维素/石墨烯/聚苯胺复合材料电化学性能的影响

基于绿色可再生的剑麻纳米纤维素,采用超声分散方法制备剑麻纳米纤维素/石墨烯(CNF/G)分散液,通过机械共混法制备剑麻纳米纤维素/石墨烯/聚苯胺(CNF/G/PANI)复合材料,采用红外光谱、X射线衍射、拉曼光谱和扫描电镜对复合材料的结构和形态进行表征,采用循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等方法研究材料的电化学性能,侧重研究石墨烯的种类对CNF/G/PANI复合材料电化学性能及结构的影响。结果表明,加入石墨烯纳米片(GNS),聚苯胺(PANI)和剑麻纳米纤维素(CNF)穿插于GNS中,产生较多的孔洞,复合材料的比电容最高值达到322.25 F/g,内阻仅为0.77Ω,在5 A/g的电流密度下,循环充放电1000次,复合材料的电容保持率达到76.92%。     

石墨烯/纳米TiO2复合材料的制备及其光催化性能

以氧化石墨烯（GO）和钛酸四丁酯（Ti（OBu）₄）作为初始反应物,采用乙醇溶剂热法合成了石墨烯/纳米TiO₂复合材料,并利用XRD、FE-SEM、TEM、RAMAN和XPS等手段对石墨烯/纳米TiO₂复合材料的晶体结构、形貌及元素形态等性质进行了表征,同时将复合材料应用于光催化降解甲基橙溶液,进行光催化性能评价。结果表明：Ti（OBu）₄在乙醇溶剂中通过化学静电引力吸附到GO表面,经过溶剂热反应,GO被还原成石墨烯的同时,石墨烯的表面负载生长锐钛矿TiO₂颗粒。随着溶剂热反应时间的延长,GO表面的活性基团减少,还原更加彻底,同时TiO₂晶粒有一定的增大趋势;与纯TiO₂相比,石墨烯/纳米TiO₂复合材料光催化活性明显提高,石墨烯含量对复合材料的光催化活性有直接的影响。     

NiS2/三维多孔石墨烯复合材料作为超级电容器电极材料的电化学性能

选用合适的软模板,通过简便的一步溶剂热法成功制备了NiS₂/三维多孔石墨烯（3D rGO）复合材料。利用FESEM、TEM、XPS和电化学工作站对样品的表面形貌、元素价态和电化学性能进行表征。结果表明:制备的NiS₂/3D rGO复合材料存在石墨烯三维堆叠的孔道结构,且具备较大的比表面积,为57.51 m2g-1。电化学测试表明,在1 Ag-1的电流密度下NiS₂/3D rGO复合材料的比电容高达1 116.7 Fg-1,而且当电流密度增加到5 Ag-1时NiS₂/3D rGO复合材料的比电容为832.2 Fg-1,比电容保持率为1 Ag-1时的74.5%。在4 Ag-1电流密度下,经过1 000次循环后,NiS₂/3D rGO复合材料的比电容仍能保持91.2%。因此,NiS₂/3D rGO复合材料可作为一种理想的超级电容器电极材料。      

Electrochemical performance of conducting polymer and its nanocomposites prepared by chemical vapor phase polymerization method

In this work, conducting polymers poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), PEDOT/carbon nanotubes (CNTs), and PEDOT/reduced graphene oxide (RGO) were prepared via an in situ chemical vapor phase polymerization (VPP) process. Experiment results showed that PEDOT and PEDOT nanocomposites were uniformly constructed in oxidant and oxidant nanocomposite films through a modifying template effect. The VPP PEDOT and its nanocomposites were built on aluminium film as supercapaitor electrode materials and electrochemical capacitive properties were investigated by using cycle voltammetry and charge/discharge techniques. The VPP PEDOT exhibited a specific capacitance of 92 F/g at a current density of 0.2 A/g. The VPP PEDOT composites consisting of CNTs and RGO displayed specific capacitances of 137 and 156 F/g, respectively, at the same current density. For VPP nanocomposites, more than 80 % of initial capacitance was retained after 1,000 charge/discharge cycles, suggesting a good cycling stability for electrochemical electrode materials. The good capacitive performance of the conducting polymer nanocomposites are contributed to the synergic effect of the two components.     

石墨烯包覆分子筛复合电极材料的制备及其性能研究

以4A分子筛(4A)和改进Hummers法制备的氧化石墨烯凝胶(GO)为原料, 按一定质量比进行混合超声分散, 以混合分散液为前驱体煅烧制备了氧化还原石墨烯(RGO)包覆的三维复合4A/RGO电极材料。采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、孔径分析、扫描电子显微镜(SEM)和电化学测试等方法研究了复合材料的结构、形貌及超级电容性能。测试结果表明, 4A均匀地穿插在RGO片层中, 阻止了RGO片层之间相互堆积, 而RGO片层之间相互链接, 形成三维空间导电网络, 提高了复合电极材料的导电性。当GO与4A质量比为1:6时, 复合材料在4 A/g电流密度下比电容可达450 F/g, 在此电流密度下循环800次后, 其比容量保持率为85.7%, 表现出良好的倍率性能和循环稳定性。该4A/RGO复合电极材料超级电容性能优于纯4A或RGO, 可归因于4A和RGO之间的协同效应。     

MnOOH-石墨烯-泡沫镍自支撑复合电极的制备及其超级电容性能

采用气相沉积法和后续的电沉积法制备得到自支撑结构的MnOOH-石墨烯（graphene）-泡沫镍（NF）复合电极。使用XRD、SEM、XPS等方法对样品的物相、形貌和价态等进行表征,通过恒流充放电、循环伏安、交流阻抗等方法对电极的电化学性能进行研究。结果表明:该方法可以成功制备得到具有自支撑结构的MnOOH-graphene-NF复合电极,超薄的graphene层均匀覆盖在NF的表面,微米球状的MnOOH纳米片紧密覆盖在graphene的表面。该自支撑复合结构可以直接用作超级电容器电极进行测试,在5 mol/L KOH溶液中表现出了较大的赝电容储存能力。在0.5 A/g的电流密度下,最大比容量可达934 F/g。当电流密度提高为5 A/g时,比容量仍达771 F/g。当电流密度为2 A/g时,循环5000次后的容量保持率高达98%,库伦效率接近100%,表现出了良好的超级电容性能。本实验提供了一种制备自支撑MnOOH-graphene-NF复合电极的新方法,该复合电极有望成为一种潜在的新型超级电容器电极材料。      

聚吡咯/氧化石墨烯复合电极的制备及性能研究

采用直流电电化学制备了聚吡咯和聚吡咯/石墨烯薄膜电极,研究发现聚吡咯/石墨烯复合电极表面产生了很多小孔和一些羊角状的结构,这可能是由于在聚合过程中,聚合围绕石墨烯吸附对甲基苯磺酸根离子形成的球状体所致。而这些小孔和羊角状的结构在电极的充放电过程中为内层聚吡咯提供了离子交换的通道。在循环伏安的测试中,当扫描速率达到1000mV/S时,聚吡咯/石墨烯复合电极的容量依然保持在229F/g,而纯的PPy电极的容量仅保持在112F/g。     

石墨烯接枝聚吡咯复合物的原位合成及其电容特性研究

采用化学接枝法原位合成了石墨烯接枝聚吡咯复合物, 对复合物的结构、形貌、导电率以及比电容值进行了测试和表征。结果表明制备的石墨烯接枝聚吡咯复合物中, 石墨烯与吡咯单体间产生了紧密的化学键结合, 吡咯在石墨烯层片上均匀分布, 石墨烯片层间的吡咯大量成链并与石墨烯层片相互连接, 测得复合物的电导率为3.32 S/cm, 比电容值可以达到284 F/g, 相比于纯聚吡咯的186 F/g的比电容值提高了52%, 具有优异的电容特性。