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石墨烯复合材料的制备及在储能器件电极材料中的应用研究

陶丽华

  石墨烯作为一种二维蜂窝状炭质新材料,具有力学性能突出(1060 GPa)、比表面积巨大(2600 m~2/g)、导电性能出色等特点,已成功应用于纳电子器件、光子传感器和基因测序等领域。石墨烯优异的储能特性是当前重要的研究方向,与商品化的石墨电极相比,石墨烯拥有近三倍的理论储能容量,为应对日益增长的能源需求提供了新的思路。然而,石墨烯也存在明显的结构缺陷,作为储能器件易结晶成石墨,不可逆容量高,循环性能差。近年来,纳米量子点以其优异的光电性能受到广泛关注,将其掺杂到石墨烯层间,有望从根本上解决石墨烯的结晶问题。因此,开展石墨烯复合材料的制备及其储能应用具有重要的现实意义。 采用Hummers法氧化剥离天然石墨形成单层状氧化石墨烯纳米片,再将氧化石墨烯和硝酸锌(硝酸镉)在二甲亚砜溶剂中于180℃下加热回流12 h原位制得石墨烯/ZnS(CdS)量子点复合材料,对制备条件进行优化。结果表明:进口石墨的晶粒尺寸较小,多为不规则片状颗粒,在浓酸腐蚀和强氧化剂的剥离条件下可获得具有更高比表面积的石墨烯。此外,相较于G-4% QdS,G-1% QdS复合材料中的量子点均匀分布在石墨烯的片层间,尺寸约50 nm,颗粒大小均匀,结构稳定性相对更好。 采用扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜观察复合材料的微观形貌,AFM证实原位合成法可成功制备出单层的石墨烯片。通过红外光谱、XRD、拉曼光谱对复合材料的结构进行表征,证实产物为石墨烯/ZnS(CdS)量子点复合材料。 考察复合材料在锂离子电池中的电化学性能,交流阻抗研究揭示复合材料上形成了稳定的固体电解质相界面膜(SEI),锂离子能可逆地嵌入/脱嵌。与石墨烯相比,它们的首次放电比容量均为1200 mAh/g左右,经过30个循环之后,复合材料的充放电比容量稳定在900 mAh/g,远高于石墨烯的228.9 mAh/g,证实量子点的掺杂是有效的。同时,G-ZnS系的循环性能优于G-CdS,在200 mA/g的质量密度下,G-1% ZnS的可逆容量是G-1% CdS的近两倍,时间分辨荧光提示,电子从ZnS量子点的激发态到石墨烯层的转移时间仅需4 ps,显示出更好的层间传导行为。 考察复合材料在超级电容器中的电化学性能,其恒流充放电曲线呈现对称的三角波状,表明石墨烯/量子点复合材料具有良好的电容特性。当电流密度为0.5 A/g时,G-1% ZnS和G-1% CdS的比电容分别高达93 F/g和90 F/g,高于G的87 F/g。 可见,在石墨烯片层间原位修饰ZnS(CdS)半导体纳米粒子,有效阻止了石墨烯的结晶,改善石墨烯层间的电子传导能力,其储能容量和循环性能都明显优于石墨烯和天然石墨,可广泛应用于锂离子电池和超级电容器的电极材料。……   
[关键词]:石墨烯;量子点;复合材料;锂离子电池;超级电容器
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:江南大学2012年