氮掺杂石墨烯-金属化合物电极材料的制备及其电化学性能研究

摘要....................................................................................................................................................................I Abstract...................................................................................................................................................................II 第一章绪论.. (1)

1.1超级电容器概述 (1)

1.1.1超级电容器的工作原理 (2)

1.1.2超级电容器电极材料的研究现状 (3)

1.2石墨烯和氮掺杂石墨烯概述 (5)

1.2.1石墨烯的简介 (5)

1.2.2石墨烯的功能化 (6)

1.2.3氮掺杂石墨烯的结构和性质 (7)

1.2.4氮掺杂石墨烯的制备 (8)

1.2.5氮掺杂石墨烯基材料在超级电容器中的应用 (9)

1.3本论文的选题意义和主要创新点 (9)

参考文献 (11)

第二章实验试剂、仪器设备和表征方法 (17)

2.1材料的制备 (17)

2.1.1实验试剂 (17)

2.1.2仪器和设备 (17)

2.2材料的表征方法 (18)

2.2.1X射线粉末衍射(XRD)分析 (18)

2.2.2傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析 (18)

2.2.3比表面积(BET)分析 (18)

2.2.4场发射扫描电子显微镜(FESEM)分析 (19)

2.2.5透射和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)分析 (19)

2.2.6拉曼光谱(Raman)分析 (19)

2.2.7X射线光电子能谱(XPS)分析 (19)

2.2.8热重(TG)分析 (19)

2.3材料的电化学表征方法 (20)

2.3.1工作电极的制备 (20)

2.3.2循环伏安(CV)分析 (20)

2.3.3恒电流充放电(GCD)分析 (21)

2.3.4交流阻抗(EIS)分析 (21)

第三章3D花状的氮掺杂石墨烯/氢氧化镍复合电极材料的制备及电化学性能研究 (22)

3.1引言 (22)

3.2实验部分 (22)

3.2.1氧化石墨(GO)的制备 (22)

3.2.2氮掺杂石墨烯(N-RGO)的制备 (23)

3.2.33D花状N-RGO&Ni(OH)2复合电极材料的制备 (23)

3.3结果与讨论 (23)

3.3.13D花状的N-RGO&Ni(OH)2复合电极材料的结构、组成和形貌分析 (23)

3.3.23D花状N-RGO&Ni(OH)2复合电极材料的形成机理分析 (30)

3.3.33D花状的N-RGO&Ni(OH)2复合电极材料的电化学表征 (32)

3.4本章小结 (37)

参考文献 (38)

第四章一步水热法制备氮掺杂石墨烯/氢氧化镍复合电极材料及其电化学性能研究 (42)

4.1引言 (42)

4.2实验部分 (43)

4.2.1氧化石墨(GO)的制备 (43)

4.2.2N-rGO/Ni(OH)2复合物的制备 (43)

4.3结果与讨论 (43)

4.3.1N-rGO/Ni(OH)2复合物的形成机理探索 (43)

4.3.2N-rGO/Ni(OH)2复合物的结构、组成和形貌分析 (44)

4.3.3N-rGO/Ni(OH)2复合物的电化学表征 (48)

4.4本章小结 (52)

参考文献 (53)

第五章一步水热法制备氮掺杂石墨烯/三氧化二铁复合电极材料及其电化学性能研究 (56)

5.1引言 (56)

5.2实验部分 (57)

5.2.1氧化石墨(GO)的制备 (57)

5.2.2N-rGO/Fe2O3复合电极材料的制备 (57)

5.3结果与讨论 (58)

5.3.1N-rGO/Fe2O3复合电极材料的形成机理探究 (58)

5.3.2N-rGO/Fe2O3复合电极材料的形貌、结构和组成分析 (59)

5.3.3N-rGO/Fe2O3复合电极材料的电化学表征 (63)

5.4本章小结 (67)

参考文献 (68)

第六章结论与展望 (72)

攻读硕士期间取得的科研成果 (74)

致谢 (75)

第一章绪论

1.1超级电容器概述

能量储存系统的开发对于解决气候变化、化石燃料有限使用的问题起着至关重要的作用，并且对于太阳能和风能的有效储存也起着关键的作用[1-6]。基于此，当前的研究者面临的最大挑战之一是构建高效、低成本和环境友好的能量储存装置。在众多的能量储存系统中，最常用的包括电池、电化学电容器(超级电容器)和燃料电池[2,7]。评价能量储存系统性能的关键因素包括能量密度、功率密度、比电容量、循环寿命、成本和环境友好性等[8-10]。从图1.1可以看出，电池和燃料电池是高能量系统，超级电容器和普通电容器是高功率系统[11]。随着便携式电子设备的快速增长和混合动力电动汽车的发展，能量储存系统必须同时满足高能量密度和高功率密度，并且其储存的能量即使在高功率密度的情况下也要能够顺利释放并传送[2,12]。

在各种能量储存系统中，超级电容器被认为是能够满足上述要求的最有潜力的候选者，因为其具有高的功率密度(>10kW·kg-1)、快速充放电过程(几秒内)、稳定的循环寿命(> 105次)以及低的维修成本[3,6,12,13]。到现在为止，超级电容器已历经五十多年，现广泛应用在消费电子、能源管理、存储备份系统、工业电源和移动电子系统中[13]。美国能源部最近的一份报告表明在未来的能量储存系统中将超级电容器视为与电池同等的重要性[14]。而且，近年来，超级电容器的文章出现在商业和流行的杂志表明这一话题越来越受到公众的关注。

图1.1各种能量存储系统的Ragone图

Fig.1.1Ragone plot of different electrochemical energy storage devices