納米碳復合材料的制備、表征與電化學性能研究.pdf

1、過分依賴化石能源帶來的能源危機與環境惡化是人類亟待解決的兩大難題。鋰離子電池(LIB)和直接甲醇燃料電池(DMFC)是清潔的儲能和能量轉換裝置，在消費類電子產品、儲能設施和電動汽車領域有廣泛應用的前景，對于優化能源結構、緩解能源危機和環境污染具有重要意義。電活性材料是限制LIB和DMFC性能的關鍵因素之一。磷酸鐵鋰(LiFePO4)和PtRu催化劑分別是目前最有前景的LIB陰極材料和DMFC陽極催化劑。然而，較低的本征電子電導率與鋰離子

2、擴散速率影響LiFePO4的電化學性能，阻礙其在動力鋰離子電池領域的大規模商業化應用。由于PtRu催化劑甲醇氧化催化活性和耐久性不足，極大地限制了DMFC的性能和商業化應用。因此，如何提升LiFePO4和PtRu催化劑性能成為備受矚目的研究熱點。
　　納米碳（如碳納米管，石墨烯等）具有電子電導率高、比表面積大、親合力強以及化學穩定性好等優點，在電化學材料領域表現出優異的性能。為改善LiFePO4正極材料和PtRu催化劑的性能，本文

3、采用多元醇回流法結合熱處理合成碳納米管與石墨烯共同修飾的薄片狀LiFePO4多孔復合材料，通過溶劑熱法制備氮摻雜石墨烯—LiFePO4多孔球形復合材料，并采用一步熱處理法合成N、B摻雜石墨烯負載的PtRu納米催化劑。使用X射線衍射、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡以及X射線光電子能譜等表征手段進行晶型、微觀形貌與化學組態分析，并采用恒電流充放電、循環伏安法和交流阻抗法、計時電流法等技術系統測試了復合材料的電化學性能。得出如下結論:

4、　　(1)碳納米管與石墨烯構成的三維導電網絡能有效提升LiFePO4的電子電導率。適當的熱處理過程可以優化形貌與晶體結構，從而改善LiFePO4復合材料的電化學性能。經優化后的LiFePO4復合材料表現出優異的電化學性能，0.1和1C放電容量分別為163和127 mAh g-1，而且1C循環100次后容量保持率高達99％。
　　(2)氮摻雜石墨烯和LiFePO4納米片自組裝構成的多孔微球結構有利于增大電極與電解液之間的反應界面，提

5、高電荷轉移速率，減小鋰離子擴散距離并加速鋰離子擴散。因此，多孔微球復合材料表現出優異的放電比容量、倍率特性和循環穩定性。
　　(3)硼、氮摻雜可以在石墨烯表面引入化學官能團，調控負載鉑釕催化劑的顆粒尺寸和分散程度，從而提高催化劑的甲醇氧化電催化性能。優化實驗表明，最佳熱處理溫度為800℃，N摻雜催化劑的最佳熱處理時間為60 min，B摻雜催化劑的最佳熱處理時間為90 min，這些條件下制備的樣品展現出良好的甲醇氧化催化活性、抗中毒