氮掺杂石墨烯的制备及其超级电容性能研究

论文摘要

石墨烯是由一层独立的碳原子紧密堆积成六角蜂窝状晶体结构的一种新型二维碳质材料。由于其独特的电子传输性质、优秀的机械性能和高的比表面积,石墨烯已经引起了实验和理论科学界的极大关注。对石墨烯进行氮掺杂是调节其电子结构、改善其物理化学性能和促进其实际应用的有效途径。在众多制备石墨烯的方法中,化学还原法由于生产成本低、生产效率高、容易实现石墨烯的功能化等优点,有望应用于石墨烯的大规模生产。因此,寻找绿色、高效的化学还原剂和开发石墨烯氮掺杂的新工艺,一直是石墨烯相关研究面临的挑战性课题。本论文分别通过化学还原法和水热法,在较温和的实验条件下,成功制备出稳定的石墨烯水悬浮液和较高氮元素掺杂含量的石墨烯。利用现代分析测试方法对材料的形貌、结构和组分进行了表征,利用电化学测试手段对材料的超级电容性能进行了研究。主要内容概括如下：采用化学还原法,以氧化石墨烯为原料、丙酮肟为还原剂,合成了在环境条件下稳定存在的石墨烯水悬浮液,并在相同实验条件下分别使用盐酸羟胺和水合肼化学还原氧化石墨烯作为对照实验,比较了三种不同还原剂对氧化石墨烯的还原能力,同时就丙酮肟还原氧化石墨烯的机理进行了初步探讨。利用原子力显微镜、场发射扫描电子显微镜、紫外-可见光谱、傅立叶变换红外光谱、拉曼光谱、X射线粉末衍射、X射线光电子能谱、元素分析、热失重分析和电导率测试对材料进行表征,说明丙酮肟能有效地化学还原氧化石墨烯,其还原能力与盐酸羟胺和水合肼的相当,有趣的是还能同步地对石墨烯进行氮掺杂,产物的氮含量为3.67at.%。利用循环伏安和恒流充放电测试对材料的超级电容性能进行研究,表明丙酮肟和盐酸羟胺还原的氧化石墨烯具有较好的电容特性,比电容分别为143和135Fg-1,经过1500次恒流充放电循环后仍能分别保持在135和125F g-1,显示出优良的循环稳定性。与氧化石墨烯相比,这两种材料的比电容均有明显的提高。采用水热法,以氧化石墨烯为原料、尿素为还原剂和氮掺杂剂,合成了含有不同氮掺杂量的石墨烯。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、傅立叶变换红外光谱、X射线粉末衍射、X射线光电子能谱、低温氮气吸-脱附分析和电导率测试对材料进行表征,说明水热条件下尿素能有效地化学还原氧化石墨烯并对其进行氮掺杂,通过调节氧化石墨烯与尿素的质量比,可以得到不同氮掺杂含量的石墨烯,其氮含量范围为5.47-7.56at.%。此外,该方法合成的氮掺杂石墨烯拥有丰富的孔结构。利用循环伏安和恒流充放电测试对材料用作超级电容器电极的电化学性质进行研究,表明不同氮掺杂含量石墨烯的超级电容性能也不相同,其中氮含量为7.50at.%的掺杂石墨烯显示出最佳的超级电容性能,比电容可达到191F g-1,经1600次的恒流充放电循环后,衰减量仅为1.3%,显示出优异的长循环寿命,有望用作超级电容器电极材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 石墨烯
• 1.1.1 石墨烯的发现
• 1.1.2 石墨烯的结构和性质
• 1.1.3 石墨烯的潜在应用
• 1.1.4 石墨烯的制备及其氮掺杂
• 1.2 超级电容器
• 1.2.1 超级电容器的工作原理和分类
• 1.2.2 超级电容器的电极材料
• 1.2.3 石墨烯材料在超级电容器中的应用
• 1.3 本论文研究的意义、目的和创新点
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验试剂
• 2.2 实验设备
• 2.3 产物的表征
• 2.3.1 原子力显微镜（AFM）
• 2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3.3 透射电子显微镜（TEM）
• 2.3.4 紫外可见光谱（UV-vis）
• 2.3.5 傅立叶变换红外光谱（FT-IR）
• 2.3.6 拉曼光谱（Raman）
• 2.3.7 X射线粉末衍射（XRD）
• 2.3.8 X射线光电子能谱（XPS）
• 2.3.9 元素分析（EA）
• 2.3.10 热重分析（TGA）
• 2.3.11 电导率测试
• 2.3.12 低温氮气吸-脱附测试
• 2.3.13 悬浮液的稳定性
• 2.4 工作电极的制备及超级电容性能测试
• 2.4.1 工作电极的制备
• 2.4.2 超级电容性能测试
• 第三章 化学还原法制备石墨烯及其超级电容性能
• 3.1 引言
• 3.2 材料的制备
• 3.2.1 氧化石墨烯分散液的制备
• 3.2.2 石墨烯悬浮液的制备
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 石墨烯的表征
• 3.3.2 丙酮肟还原GO机理初探
• 3.3.3 石墨烯的超级电容性能
• 3.4 本章小结
• 第四章 水热法制备氮掺杂石墨烯及其超级电容性能
• 4.1 引言
• 4.2 材料的制备
• 4.2.1 氧化石墨烯分散液的制备
• 4.2.2 氮掺杂石墨烯的制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 氮掺杂石墨烯的表征
• 4.3.2 氮掺杂石墨烯的超级电容性能
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与进一步工作建议
• 5.1 结论
• 5.2 进一步工作建议
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的科研成果
• 致谢