石墨烯锰基氧化物复合结构制备及其电化学储能研究功能材料化学与化工专业论文.docxVIP

研究生优秀毕业论文 大连理工大学博士学位论文摘要 大连理工大学博士学位论文 摘要 石墨烯具有独特的单原子厚度二维平面结构和优异的电学、力学、光学和热学性质， 在场发射晶体管、传感器、透明导电薄膜、电化学储能等领域展现了巨大的应用前景。 改进的Hummers法是最具潜力的石墨烯规模化制备方法，但此过程中产生的环境污染、 分离繁琐、原料浪费等问题是限制其广泛应用的重要瓶颈。基于“原子经济性”合成原 则，探索石墨烯及其复合物的低成本、绿色环保合成方法对其应用具有重要的现实意义。 本论文从Hummers法制备氧化石墨烯(GO)的中间产物一氧化石墨烯／MnS04 (GO／MnS04)悬浊液出发，利用共沉淀、热还原、水热反应等技术方法，制备了一系 列宏／微观结构可控的石墨烯／MnO。复合结构，并对其作为超级电容器和锂离子电池电极 材料的储能性能进行了系统研究；并研究石墨烯载硫复合体系的可控制备及其作为锂硫 电池正极材料的性能。主要研究结果如下： (1)以催化石墨化的太西无烟煤为前驱体，采用改进的Hummers法氧化插层制备 煤基氧化石墨烯悬浊液(CDGO／MnS04)，并以其为前驱体，采用KOH和肼分别为沉淀 剂和还原剂，原位制备了煤基石墨烯／Mn304(RCDGO／Mn304)复合结构，同时得到副 产物K2S04；二者分别用作超级电容器的电极材料和电解质，整个过程原子利用率达 97％；制备得到的煤基石墨烯与Mn304的复合结构展现出良好的电化学性能，在50 mA g。的电流密度下，其比容量为260 F g-1；该方法不仅成功解决了GO分离过程中存在的 耗时繁琐、环境污染等问题，同时以无烟煤为起始碳源，拓展了石墨烯及石墨烯基复合 物的原料来源。 (2)以天然鳞片石墨制备的GO／MnS04悬浊液为反应物，原位制备GO／Mn304复 合物，分别采用氨气和氢气热还原法制备氮掺杂的石墨烯／MnO复合物(N．GS瓜hO) 和石墨烯／MnO(H．GS／MnO)，并研究了其电化学储锂性能。在100 mAg。1的电流密度 下，N．GS／MnO和H．GS／MnO的比容量分别达到987和870 mAh g～。研究表明：氮掺 杂石墨烯／MnO复合结构中引入吡啶型的氮原子降低了电极材料及电池内阻，减小了充 放电过程中电荷转移的阻力，从而提高了其电化学储锂性能。 (3)采用水热合成技术，以氨水作为沉淀剂，从GO／MnS04悬浊液出发制备石墨 烯复合型气凝胶／Mn304(GS～Mn304)，并考察其作为锂离子电池负极材料的储锂性能。 GSA／Mn30。比粉末状复合物具有更加丰富的孔隙结构和相互连接、贯通的三维通道，使 复合型气凝胶材料表现出优异的储锂性能，在100、400、800、1600 mAg‘1的电流密度 下其可逆比容量分别达1112．6、789_3、650．9、475．5mAhg～，在800mAg“下循环100 次后电化学容量仍能维持在593 mAh g～。 (4)以GO为氧化剂和碳前驱体，H2s为还原剂和硫源，H202为辅助氧化剂，基 于选择性氧化还原机理，成功制备了硫载量可控的硫／石墨烯复合物(GS／S)，并考察其 万方数据 石墨烯／锰基氧化物复合结构的制备及其电化学储能研究作为锂硫电池正极材料的储锂性能。通过控制H202的加入量实现了硫负载量的调控， 石墨烯／锰基氧化物复合结构的制备及其电化学储能研究 作为锂硫电池正极材料的储锂性能。通过控制H202的加入量实现了硫负载量的调控， 同时，在GO表面含氧官能团的作用下元素硫以无定形硫单质的形式高度分散在石墨烯 的表面；含硫70 wt．％的硫／石墨烯复合物作为锂硫电池的正极材料时在0．2、O．5、1．0、 2．0、5．0Ag一1的电流密度下其放电比容量分别可达570、440、377、332、274 mAh g～。 关键词：石墨烯；石墨烯锰基氧化物复合结构；超级电容器；锂离子电池；锂硫电池 万方数据 大连理工大学博士学位论文Abstract 大连理工大学博士学位论文 Abstract Due to its unique structure of one carbon atoms thickness with 2D layer and excellent properties of electrocity,machanics，optics，thermology,Graphene has a great application prospect in field effect transistor,sensor,transparent conductive films，and electrochemical energy storage．However,there are several disadv