石墨烯-錳基氧化物復合結構制備及其電化學儲能研究.pdf

1、石墨烯具有獨特的單原子厚度二維平面結構和優異的電學、力學、光學和熱學性質，在場發射晶體管、傳感器、透明導電薄膜、電化學儲能等領域展現了巨大的應用前景。改進的Hummers法是最具潛力的石墨烯規?；苽浞椒?，但此過程中產生的環境污染、分離繁瑣、原料浪費等問題是限制其廣泛應用的重要瓶頸?；凇霸咏洕浴焙铣稍瓌t，探索石墨烯及其復合物的低成本、綠色環保合成方法對其應用具有重要的現實意義。本論文從Hummers法制備氧化石墨烯(GO)的中間產

2、物—氧化石墨烯/MnSO4(GO/MnSO4)懸濁液出發，利用共沉淀、熱還原、水熱反應等技術方法，制備了一系列宏/微觀結構可控的石墨烯/MnOx復合結構，并對其作為超級電容器和鋰離子電池電極材料的儲能性能進行了系統研究;并研究石墨烯載硫復合體系的可控制備及其作為鋰硫電池正極材料的性能。主要研究結果如下:
　　(1)以催化石墨化的太西無煙煤為前驅體，采用改進的Hummers法氧化插層制備煤基氧化石墨烯懸濁液(CDGO/MnSO4)，

3、并以其為前驅體，采用KOH和肼分別為沉淀劑和還原劑，原位制備了煤基石墨烯/Mn3O4(RCDGO/Mn3O4)復合結構，同時得到副產物K2SO4;二者分別用作超級電容器的電極材料和電解質，整個過程原子利用率達97％;制備得到的煤基石墨烯與Mn3O4的復合結構展現出良好的電化學性能，在50mAg-1的電流密度下，其比容量為260 F g-1;該方法不僅成功解決了GO分離過程中存在的耗時繁瑣、環境污染等問題，同時以無煙煤為起始碳源，拓展了石

4、墨烯及石墨烯基復合物的原料來源。
　　(2)以天然鱗片石墨制備的GO/MnSO4懸濁液為反應物，原位制備GO/Mn3O4復合物，分別采用氨氣和氫氣熱還原法制備氮摻雜的石墨烯/MnO復合物（N-GS/MnO）和石墨烯/MnO(H-GS/MnO)，并研究了其電化學儲鋰性能。在100 mAg-1的電流密度下，N-GS/MnO和H-GS/MnO的比容量分別達到987和870 mAh g-1。研究表明:氮摻雜石墨烯/MnO復合結構中引入吡啶

5、型的氮原子降低了電極材料及電池內阻，減小了充放電過程中電荷轉移的阻力，從而提高了其電化學儲鋰性能。
　　(3)采用水熱合成技術，以氨水作為沉淀劑，從GO/MnSO4懸濁液出發制備石墨烯復合型氣凝膠/Mn3O4(GSA/Mn3O4)，并考察其作為鋰離子電池負極材料的儲鋰性能。GSA/Mn3O4比粉末狀復合物具有更加豐富的孔隙結構和相互連接、貫通的三維通道，使復合型氣凝膠材料表現出優異的儲鋰性能，在100、400、800、1600 m

6、A g-1的電流密度下其可逆比容量分別達1112.6、789.3、650.9、475.5 mAhg-1，在800 mA g-1下循環100次后電化學容量仍能維持在593 mAh g-1。
　　(4)以GO為氧化劑和碳前驅體，H2S為還原劑和硫源，H2O2為輔助氧化劑，基于選擇性氧化還原機理，成功制備了硫載量可控的硫/石墨烯復合物(GS/S)，并考察其作為鋰硫電池正極材料的儲鋰性能。通過控制H2O2的加入量實現了硫負載量的調控，同時