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氧化石墨烯_聚吡咯插层复合材料的制备和电化学电容性能

氧化石墨烯_聚吡咯插层复合材料的制备和电化学电容性能
氧化石墨烯_聚吡咯插层复合材料的制备和电化学电容性能

氧化石墨烯/聚吡咯插层复合材料的制备和电化学电容性能

门春艳

娟*

(新疆大学化学化工学院,乌鲁木齐830046)

摘要:

以FeCl 3-甲基橙(MO)为模板,通过化学原位聚合法成功制备出氧化石墨烯/聚吡咯(GO/PPy)插层复合

材料.采用X 射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等测试技术对复合材料进行物性表征.此外,利用循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗测试方法对复合材料在两种不同水系电解液(1mol ·L -1Na 2SO 4和1mol ·L -1H 2SO 4)中的电化学性能进行了研究.结果显示:氧化石墨烯和聚吡咯表现出各自优势并发挥协同作用,使得GO/PPy 插层复合材料在中性和酸性电解液中都显示出可观的比电容.电流密度为0.5A ·g -1时,GO/PPy 插层复合材料在Na 2SO 4和H 2SO 4电解液中的比电容分别为449.1和619.0F ·g -1,明显高于纯PPy 的比电容.经过800次循环稳定性测试后,两种不同电解液中,复合材料初始容量的保持率分别为92%和62%.其中酸性电解液体系中初始容量更大,而中性溶液中具有更稳定的循环性能.关键词:

氧化石墨烯;聚吡咯;插层复合物;电极材料;电化学电容性能

中图分类号:

O646

Preparation and Electrochemical Capacitance Properties of Graphene

Oxide/Polypyrrole Intercalation Composite

SHI Qin

MEN Chun-Yan

LI Juan *

(College of Chemistry and Chemical Engineering,Xinjiang University,Urumqi 830046,P .R.China )

Abstract:Graphene oxide/polypyrrole (GO/PPy)intercalation composite was successfully prepared via in-situ chemical oxidative polymerization of pyrrole monomers by using methyl orange (MO)as a template agent.The morphology and microstructure of the composite were characterized by X-ray diffraction (XRD)analysis,Fourier transform infrared (FTIR)spectroscopy,scanning electron microscopy (SEM),and transmission electron microscopy (TEM).In addition,the electrochemical properties of the composite material were investigated by cyclic voltammetry (CV),galvanostatic charge/discharge and electrochemical impedance spectroscopy techniques in two different aqueous electrolytes (1mol ·L -1Na 2SO 4and 1mol ·L -1H 2SO 4).The results indicated that the GO/PPy intercalation composite displayed considerable specific capacitance in both neutral and acid electrolytes,which is attributed to taking full advantage of the superior properties and synergy of graphene oxide and polypyrrole.The GO/PPy intercalation composite exhibited the specific capacitance of 449.1and 619.0F ·g -1in the Na 2SO 4and H 2SO 4electrolytes,respectively,at a current density of 0.5A ·g -1.This is significantly higher than the corresponding specific capacitance of pure PPy.After 800cycling test,the specific capacitance of the composite remained about 92%and 62%of the initial capacitance in the two different electrolytes,respectively.A higher initial capacitance was obtained in the acidic electrolyte,but the composite showed better electrochemical cyclic stability in the neutral electrolyte.

[Article]

doi:10.3866/PKU.WHXB201306031

https://www.doczj.com/doc/5113403988.html,

物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao )

Acta Phys.-Chim.Sin .2013,29(8),1691-1697

August Received:March 8,2013;Revised:June 3,2013;Published on Web:June 3,2013.?

Corresponding author.Email:ljpanpan@https://www.doczj.com/doc/5113403988.html,;Tel:+86-132********.

The project was supported by the Doctoral Scientific Research Starting Foundation of Xinjiang University,China (BS110112),Urumqi Science and Technology Project,China (H101133001),and National Natural Science Foundation of China (21262035).

新疆大学博士启动基金项目(BS110112),乌鲁木齐科技计划项目(H101133001)及国家自然科学基金(21262035)资助

?Editorial office of Acta Physico-Chimica Sinica

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1引言

超级电容器是一种新型的能量存储装置,与蓄电池和传统电容器相比,具有容量大、功率密度大、使用寿命长、经济环保等优点,广泛应用于通信、电动汽车、军事和工业等众多领域.1-3目前,常用的电极材料有:具有高比表面积的碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料.导电聚合物具有比电容高、电子导电性好和内阻小等优点引起了国内外学者的广泛关注.其中,聚吡咯(PPy)因制备过程简单、成本低、电导率高、电化学可逆性好被普遍认为成最具有应用前景的电极材料之一.4,5但是,单纯的PPy机械性能较差,在反复充放电的过程中,PPy链的体积不断收缩膨胀,分子链的结构被破坏致使其导电性能逐渐减弱,表现出较差的循环性能.6-8为了克服这一缺点,可将PPy与碳材料复合以提高其电化学性能,如:碳纤维、碳纳米管和石墨烯等.

石墨烯具有比表面积大、高导电性、循环稳定性和机械性能好等优点,用于超级电容器电极材料有其独特的优势.9,10但由于石墨烯片层受范德华力的影响容易发生团聚或叠加,11导致其表面积大大降低,同时,也不利于聚合物单体进入层间形成复合材料.然而,氧化石墨烯(GO)是石墨烯的特殊衍生物,其表面有大量的含氧官能团(环氧基、羧基和羟基等),这些亲水基团使GO具有较好的水溶性,能以单层片体的形式分散在水中.12,13因此,GO/PPy 复合材料引起部分研究者们的兴趣,如:张海英等12用原位聚合法制备GO/PPy复合物在电流密度为0.5A·g-1下的比电容为401.5F·g-1,1200圈循环稳定性测试后,容量保持率为46.4%,有待改善.Chang 等14用电化学法合成GO/PPy复合膜,在1A·g-1下的比电容为289F·g-1,但未研究其循环性能.

因此,本文选用FeCl3和甲基橙(MO)在水溶液中形成的纤维状络合物(FeCl3-MO)为自降解模板,15采用化学原位聚合法使吡咯单体在GO层间交错聚合,形成插层结构的复合材料,并分析了插层结构的形成过程.此外,进一步地研究了GO/PPy插层复合材料作为超级电容器的电极材料在两种不同水系电解液(1mol·L-1Na2SO4和1mol·L-1H2SO4)中的电化学行为,探讨了复合材料的循环稳定性.2实验部分

2.1试剂与仪器

甲基橙(天津市恒兴化学试剂制造有限公司,分析纯),无水三氯化铁(沈阳市新西试剂厂,纯度≥99%),无水硫酸钠(天津市河东区红岩试剂厂,纯度≥99%),浓硫酸(天津市风船化学试剂科技有限公司,纯度为95%-98%),无水乙醇(天津市百世化工有限公司,纯度≥99.7%),丙酮(天津基准化学试剂有限公司,纯度≥99.5%),吡咯(Py)单体(Aladdin化学药品公司,分析纯)重新蒸馏后,在0°C下存放备用.

采用日本Mac M18ce型X射线衍射仪进行XRD 测定,实验条件:Cu Kα辐射(λ=0.154056nm),管电压40kV,管电流100mA,扫描范围2θ为10°-80°,扫描速率10(°)·min-1;用德国Leo1430VP型扫描电子显微镜和日本Model Hitachi H-600,200kV透射电镜观察样品的形貌.工作电极在上海辰华仪器有限公司CHI660A电化学工作站做循环伏安、恒流充放电性和交流阻抗测试,在武汉金诺公司Land电池测试仪(Land,CT2001A)上进行恒电流充放电性能测试. 2.2GO/PPy复合材料的制备

采用改进的Hummers法16制备氧化石墨烯(GO),备用.准确称量20mg氧化石墨烯置于30mL 去离子水中,超声波分散处理2h,加入0.049g甲基橙,超声波分散处理1h,随后加入0.486g FeCl3,再超声波分散处理30min,在搅拌下滴加0.201g吡咯单体(GO与吡咯单体的质量比为1:10),于0-5°C下静置24h后,解冻,抽滤得黑色沉淀,用去离子水、丙酮、无水乙醇反复洗涤多次.60°C下真空干燥24 h后取出,充分研磨,即得GO/PPy复合材料.

纯聚吡咯的制备方法同上,不加入氧化石墨烯.

2.3GO/PPy电极的制备及电化学表征

将1mg样品分别与0.3mg乙炔黑和1滴聚四氟乙烯(PTFE)乳液混合均匀制成有一定粘度的糊状,均匀涂覆在石墨电极上.50°C下,干燥过夜.以样品的电极为工作电极,饱和甘汞电极(SCE)、铂电极分别为参比电极和对电极,1mol·L-1Na2SO4和1 mol·L-1H2SO4为两种电解液形成三电极体系,在CHI660A电化学工作站做循环伏安、首次恒流充放电性和交流阻抗测试,在Land电池测试仪上进行恒流充放电循环性能测试.

Key Words:Graphene oxide;Polypyrrole;Intercalation composite;Electrode material;

Electrochemical capacitance property

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石琴等:氧化石墨烯/聚吡咯插层复合材料的制备和电化学电容性能

No.8

3

结果与讨论

3.1

样品的XRD 表征

图1为PPy,GO 和GO/PPy 复合材料的XRD 图.从纯PPy 的XRD 谱图中可以看到,2θ为15°-30°的区域内有一个宽峰,显示PPy 是无定形结构.而在GO 的XRD 谱图中,在2θ为11.28°处出现了GO 特征衍射峰,17,18对应于(001)晶面,片层间距约为0.78nm,远大于石墨的片层间距(0.34nm),这是由于在GO 层上、层间及边缘存在大量的含氧官能团(羧基、羟基及环氧基等),使得GO 的层间距增大.GO 与PPy 复合后,由于复合物中GO 含量低,而且在超声波的作用下,间距本就较宽的GO 片层进一步剥离开来,导致2θ=11.28°的衍射峰弱到几乎消失并继续向小角度方向移动.此外,GO/PPy 复合物在2θ=15°-30°之间出现一个宽峰,与纯PPy 相比,峰型变得宽而弱,表明无定形的PPy 已成功插层到剥离开的GO 层间形成复合物.3.2样品的FTIR 分析

图2是样品PPy,GO 和GO/PPy 的红外光谱图.从PPy 的谱图可以看出:在1541和1448cm -1附近的吸收峰为吡咯环的特征峰,分别归属于聚吡咯环的对称伸缩振动和非对称伸缩振动,1301和1031cm -1附近的吸收峰分别对应于C -N 键的伸缩振动和C -H 键的面内弯曲振动,886和780cm -1吸收峰归属于吡咯环的C -H 键的面外弯曲振动,在1161cm -1有较强的吸收峰是PPy 掺杂态的特征峰.19在GO 的谱图中3420cm -1处附近有很强的宽吸收峰,应为GO 表面含氧官能团中O -H 伸缩振动峰,1721和1400cm -1分别对应于羧基的C =O 伸缩振动和C -OH 官能团中的O -H 变形振动峰,1069cm -1对应于环氧官能团中C -O 伸缩振动吸收峰,此外,在1632cm -1处有明显的吸收峰可以归因于石墨在氧

化的过程中吸收了水分子.20这些特征峰表明氧化石墨烯中存在多种含氧基团(极性基团),如:羧基、羟基、羰基、环氧基等.在GO/PPy 复合材料的谱图中,上述PPy 和GO 的特征峰均存在,峰形相似,而GO 谱图中的C =O 伸缩振动峰(1721cm -1)明显变弱且发生红移,与1632cm -1处的吸收峰叠加后形成复合物谱图中1640cm -1处的吸收峰,表明GO 层间的-COOH 与吡咯中的-NH 形成了氢键.

3.3GO/PPy 插层复合材料的微观形貌及形成过

程分析

据文献报道,用Hummers 法制备的GO 通常是单层或数层结构,21,22单层石墨烯表面有一定程度的褶皱,而随着石墨烯层数的增加褶皱程度越来越小.23图3(a,c)为GO 、GO/PPy 复合物的SEM 图,图3(b,d)为GO 、GO/PPy 复合物的TEM 图.从图3a 可以看出,GO 的形貌为卷曲、褶皱,表面有许多纹络的片层结构,与文献16相符.与PPy 复合之后(图3c)可以清楚地看到,复合物的形貌保持了GO 的片状结构,片层明显增厚且表面疏松、粗糙、有很多凸起,这是由于PPy 在GO 层间及表面附着所致.为了更好地分析GO/PPy 复合物的结构,我们对样品做了TEM 分析.图3b 展示了氧化石墨烯典型的片层结构,颜色较浅,但可以看出该氧化石墨烯片是数层堆叠在一起,并非以单层形式存在.从GO/PPy 复合材料的TEM(图3d)中可以明显看出图中有深色和浅色区域,浅色区域仍具有片层形貌为GO,深色区域为交织的PPy 链状结构,被GO 紧密包裹.

分析GO/PPy 插层复合物这种结构的形成原因和过程可能是:GO 在超声波作用下先剥离成纳米片层,而MO 与FeCl 3在超声波作用下形成了纤维状络合物(MO-FeCl 3),与GO 层间的大量含氧官能团产生

图1PPy 、GO 及GO/PPy 复合材料的XRD 图

Fig.1XRD patterns of PPy,GO,and GO/PPy

composite

2PPy 、GO 和GO/PPy 复合材料的FTIR 谱图Fig.2FTIR spectra of the PPy,GO,and GO/PPy

composite

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较强的相互作用力,有利于MO-FeCl 3插入GO 层间.接着Py 单体在此纤维状络合物表面附着并以此为氧化剂和模板发生聚合反应,沿着模板生长,形成一维交错的PPy 链状结构,同时,MO-FeCl 3自降解,最终制得GO/PPy 插层复合材料.整个过程示于图4.3.4电化学测试

电极材料的电化学性能不仅取决于材料本身的导电性、多孔性,还取决于电解液的性能.影响电解液选择的主要因素有:电阻、电容、稳定的电位窗口以及制造成本等.与有机电解液相比,水系电解液用于电容器安全性高、成本较低且无污染.本文选用1mol ·L -1Na 2SO 4和1mol ·L -1H 2SO 4溶液作为超级电容器的电解液不仅对环境友好、成本低,且与有机电解液相比具有较好的循环性能.

图4GO/PPy 插层复合材料形成过程示意图

Fig.4

Schematic of the formation process of GO/PPy intercalation

composite

图3GO (a,b)和GO/PPy (c,d)的SEM (a,c)和TEM (b,d)图

Fig.3SEM (a,c)and TEM (b,d)images of GO (a,b)and GO/PPy (c,

d)

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循环伏安分析是研究材料电化学特性的一个重要手段,图5为GO/PPy 插层复合材料在1mol ·L -1Na 2SO 4和1mol ·L -1H 2SO 4溶液中不同扫描速率下的循环伏安曲线图,电位区间分别为-0.6-0.4V 和-0.2-0.7V .从图中可以看出,不同扫描速率下,GO/PPy 复合材料在两种电解液中的循环伏安曲线都呈现出类似的“矩形”,具有对称性,说明该复合材料在两种电解液中均保持了良好的电化学特性且在电极表面有很好的电荷传递过程.但是,在1mol ·L -1Na 2SO 4电解液中,当扫描速率增大到100mV ·s -1时循环伏安曲线的“矩形”状略有变形,这是由于复合材料电极内部的阻抗使离子与电极间的相互作用减弱造成的,而这一影响在1mol ·L -1H 2SO 4电解液中要小得多.此外,相同扫描速率下,复合材料在1mol ·L -1H 2SO 4电解液中的循环伏安曲线的积分面积明显大于在1mol ·L -1Na 2SO 4电解液中的积分面积,表明复合材料在1mol ·L -1H 2SO 4电解液中有更大的电化学活性.

图6是电流密度为1A ·g -1时,纯GO 、纯PPy 和GO/PPy 复合材料在两种不同电解液中的恒电流充

放电曲线图,三者的质量比电容C m 可根据下列公式计算得到:

C m =I ×Δt /(ΔV ×m )

式中:C m 为复合电极材料的质量比电容(F ·g -1);m 是电极材料的质量(g);I 为放电电流(A);Δt 为放电时间(s);ΔV 是电压区间(V).在1mol ·L -1Na 2SO 4电解液中GO 、PPy 和GO/PPy 复合材料的比电容分别为14.8、249.6和310.9F ·g -1,而在1mol ·L -1H 2SO 4电解液中三者比电容分别为17.8、378.4和509.1F ·g -1.在两种不同电解液中,复合材料的比电容均远大于纯GO 的比电容,也大于纯PPy 的比电容.由于GO 在复合物中添加的量很少,可见GO 对复合材料总容量的贡献非常小,但其通过提高材料的导电性和分散性,增加了PPy 的利用率从而提高材料的比容量和循环稳定性.

图7是复合材料分别在两种电解液中不同电流密度下的首周恒电流充放电曲线图.由图可以看出,在整个充放电电位区间内,电位和时间都保持

图5GO/PPy 复合材料在两种电解液中不同扫描速率时的循环伏安曲线图Fig.5CV profiles of GO/PPy composite in two electrolytes at different scan rates

(a)1mol ·L -1Na 2SO 4,(b)1mol ·L -1H 2SO

4

6纯GO 、纯PPy 和GO/PPy 复合材料在两种电解液中的恒电流充放电曲线

Fig.6

Galvanostatic charge/discharge curves of pure GO,pure PPy,and GO/PPy composite in two electrolytes

(a)1mol ·L -1Na 2SO 4,(b)1mol ·L -1H 2SO

4

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了很好的线性关系,图形基本对称,表明复合材料在两种电解液中的电化学反应具有良好的可逆性.当电流密度为0.5、1、2和3A ·g -1时,GO/PPy 复合材料在1mol ·L -1Na 2SO 4电解液中的比电容分别为449.1、310.9、259.2和238.8F ·g -1,在1mol ·L -1H 2SO 4电解液中的比电容分别为619.0、509.1、435.0和392.3F ·g -1.硫酸电解液中的比电容稍大于硫酸钠电解液中的,与循环伏安测试结果相符.其原因为:H +离子在充放电过程中参与PPy 掺杂与去掺杂的氧化还原反应,表现出更明显的赝电容行为,24,25如式(1)所示.

图8为GO/PPy 插层复合材料在1mol ·L -1

Na 2SO 4和1mol ·L -1H 2SO 4电解液中的交流阻抗图

谱,测试的频率范围为10-2-105Hz.Nyquist 曲线由阻抗的实部(Z')和虚部(Z'')组成.在高频区,通过阻抗曲线与实轴的交点可以估算出复合材料电极的溶液电阻(R s ),半圆表示电荷在电极材料中传递过程,即电荷传递电阻(R ct ),低频区45°的斜线部分是由电解液中的离子向电极表面扩散时所引起的Warburg 阻抗.26,27由图8可知,GO/PPy 复合材料在1mol ·L -1H 2SO 4和1mol ·L -1Na 2SO 4电解液中的R s 值分别约为1.0和1.6Ω,表明复合材料在H 2SO 4溶液中的导电性和电容性能更好,与恒电流充放电测试结果相符.从右上角的内附图中可以看到,与Na 2SO 4电解液相比,复合材料电极在H 2SO 4电解液中的Warburg 区域较小,说明在H 2SO 4电解液中,电极/电解液界面的电荷传递电阻小,电荷传递速率快.随着频率的降低,曲线b 与实轴的夹角更接近90°,体现出复合材料电极在H 2SO 4电解液中的电化学行为更接近理想的电容行为.

图9为GO/PPy 插层复合材料在1mol ·L -1

Na 2SO 4和1mol ·L -1H 2SO 4电解液中,0.5A ·g -1电流

图7GO/PPy 复合材料在不同电流密度下的恒电流充放电曲线图

Fig.7Galvanostatic charge/discharge curves of GO/PPy composite at different current densities

electrolyte:(a)1mol ·L -1Na 2SO 4;(b)1mol ·L -1H 2SO

4

8GO/PPy 复合材料在两种电解液中的交流阻抗图Fig.8AC impedance plots of GO/PPy composite in two

electrolytes

(a)1mol ·L -1Na 2SO 4;(b)1mol ·L -1H 2SO

4

9GO/PPy 复合材料在两种电解液中的循环性能图Fig.9Cycle properties of GO/PPy composite in two

electrolytes

(a)1mol ·L -1Na 2SO 4;(b)1mol ·L -1H 2SO

4

1)

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石琴等:氧化石墨烯/聚吡咯插层复合材料的制备和电化学电容性能No.8

密度下的循环寿命图.由图可知,虽然GO/PPy复合材料在1mol·L-1H2SO4电解液中具有更好的电化学活性和更大的初始容量,但经过800次循环之后,复合材料电极的比电容保持了初始电容的62%,明显低于在Na2SO4电解液中达初始容量92%的容量保持率.与Na2SO4电解液相比,复合材料在H2SO4电解液中的比电容衰减较快,原因可能为:在酸性电解液中,PPy氧化(p-型)掺杂态的还原(脱掺杂)和再氧化(掺杂)伴随着H+的嵌入和脱出,此过程使GO/PPy 插层结构不断膨胀和收缩,部分PPy可能从GO层间脱出,从而致使复合材料的容量损失较大.与文献12,28报道相比,复合材料在两种电解液中比电容的保持率均显著高于纯PPy,表明复合氧化石墨烯有效地改善了材料的循环稳定性.

4结论

本文以FeCl3-MO为自降解模板,采用原位聚合法成功制备出GO/PPy插层复合材料.研究了复合材料在两种不同水系电解液(1mol·L-1Na2SO4和1 mol·L-1H2SO4)中的电化学电容行为.电流密度为0.5A·g-1时,复合材料在1mol·L-1Na2SO4和1mol·L-1H2SO4电解液中的比电容分别为449.1和619.0 F·g-1,经过800次循环稳定测试后,比容量保持率分别为92%和62%.测试结果表明,吡咯单体在GO层间交错聚合,阻碍了GO层与层间的堆叠,有利于充放电过程中离子和电子的传输,从而提高复合材料的比电容.同时,氧化石墨烯的加入能够缓解聚吡咯链在多次充放电过程中的膨胀和收缩,改善其循环稳定性.两者有效地发挥了各自优势及协同作用,展现出复合材料良好的电化学性能.

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6,965.doi:10.3144/expresspolymlett.2012.102

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关于石墨烯电池的调研报告范文

关于石墨烯电池的调研报告 0引言 《世界报》的一则关于西班牙Graphenano 公司同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池的消息,引起了世界各地的转发与评论,该消息称石墨烯聚合材料电池能够提给电动车1000公里的续航能力,而其充电时间不到8分钟。为调查此消息的真实性与石墨烯聚合材料电池的可行性,于是检索、收集了大量的资料,并总结做出了自己的调查结果。 1石墨烯简介 石墨烯(Graphene )是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在,直至2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈?海姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫,成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,而证实它可以单独存在,两人也因「在二维石墨烯材料的开创性实验」为由,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光;导热系数高达K m W ?/5300,高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率超过s V cm ?/215000,又比纳米碳管或硅晶体高,而电阻率只约m ?Ω-810,比铜或银更低,为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低,电子迁移的速度极快,因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体,也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。 特斯拉CEO 马斯克近目在接受英国汽车杂志采访时表示,正在研究高性能电池,特斯拉电动车的续行里程很快将能达到800公里,比目前增长近70%。其表示,特斯拉始终致力于打造纯电动汽车,将继续革新电池技术,不考虑造混合动力车。特斯拉Model3电动汽车的续行里程有望达N320公里,售价约为3.5万美元。[]《功能材料信息》 2014年第11卷第4期 56-56页据悉,石墨烯兼具高强度、高导电性、柔韧性等优点,应用于锂电池负极材料后,可大幅度提高其电容量和大倍率充放电性能 ,或成特斯拉电池的理想材料。 特斯拉研究高能电池石墨烯或为理想材料 这项新技术的核心在于,新型多孔石墨烯材料含有巨大的内部表面区域,因此能实现在极短时间内充电。所充电能量与普通锂电池的电能量相当。更重要的是,石墨烯电池电极在经过1万次充放电之后。能量密度并未出现明显损失。 这种多孔石墨烯材料的超级电容,还可以为电动车节省大量的能量"如今,电动车的电能浪费现象仍旧普遍存在" 1新闻方面 首先,我从网上搜索了相关的新闻,包括ZOL 新闻中心科技频道的“石墨烯电池或将引领改革:充电10分钟跑1000公里”说道“这项突破性研究,为人类认知石墨烯等材料特性带来全新发现,并有望为燃料电池和氢相关技术领域带来革命性的进步”;21世纪经济报道的“中国2015年量产石墨烯锂电池或颠覆电动车行业”说道“2014年12月初,西方媒体报

黑磷和石墨烯对比的优缺点

黑磷和石墨烯对比的优缺点 黑磷和石墨烯对比的优缺点,是大多数人想要了解的事情。因为,这两种材料都是近年来热门的话题,很多媒体都在宣传,但是大家对黑磷、石墨烯可能仅限于听过名字,对它们都没有深入的了解过,自然也就不知道黑磷、石墨烯的优缺点。先丰纳米作为专业的纳米材料公司,下面就给大家简单的介绍黑磷和石墨烯对比的优缺点。 石墨烯具备众多优异的力学、光学、电学和微观量子性质,是具备透光性好、导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等众多普通材料不具备的性能,未来有望在电极、电池、晶体管触摸屏、太阳能、传感器超轻材料、医疗、海水淡化等众多领域应用,是很有前景的先进材料之一。 石墨烯可能不会通过其自身作为一种理想材料来实现未来的巨大影响,而是通过它衍生的产物。尽管石墨烯有着许多令人眼花缭乱的优点,但它也有缺点,尤其是不能充当半导体——这是微电子的基石。 在高科技设备面前,石墨烯的光环黯淡了一些。电子时代的大多数被认为有价值的材料都是半导体,而石墨烯更像一个金属导体。 二维黑磷单晶(又称黑磷),二维黑磷单晶是纯磷可以形成的三种不同的晶体结构(或同素异形体)之一。其他两种材料分别是用于制造烟花的白磷和用于制造火柴头的红磷。 二维黑磷单晶由位于两个位面的波浪形磷原子组成,其属性已经使它成为材料学界的宠儿,其电子转移速率为600 cm2/vs,一些研究人员希望进一步提高这一速率;同时,

其频间带隙(让电流通过该物质所需要的电伏)是可调谐的,即电子工程师可以通过简单 的改变二维黑磷单晶的叠层调整带隙,这一特性有利于根据具体要求设计出期望的带隙。 二维黑磷单晶在空气中不稳定,在24小时后,就可以看到材料表面的气泡,然后整 个设备在数日内就会失效。 以上就是黑磷和石墨烯对比的优缺点的介绍,有任何问题,欢迎立即咨询先丰纳米公司。 先丰纳米是江苏先进纳米材料制造商和技术服务商,专注于石墨烯、类石墨烯、碳纳 米管、分子筛、黑磷、银纳米线等发展方向,现拥有石墨烯粉体、石墨烯浆料和石墨烯膜 完整生产线。 自2009年成立以来一直在科研和工业两个方面为客户提供完善服务。科研客户超过 一万家,工业客户超过两百家。 南京先丰纳米材料科技有限公司2009年9月注册于南京大学国家大学科技园内,现 专注于石墨烯、类石墨烯、碳纳米管、分子筛、银纳米线等发展方向,立志做先进材料及 技术提供商。 2016年公司一期投资5000万在南京江北新区浦口开发区成立“江苏先丰纳米材料科技有限公司”,建筑面积近4000平方,形成了运营、研发、中试、生产全流程先进纳米 材料制造和技术服务中心。现拥有石墨烯粉体、石墨烯浆料和石墨烯膜完整生产线,2017年年产高品质石墨烯粉末50吨,石墨烯浆料1000吨。 欢迎广大客户和各界朋友莅临我司指导!欢迎电话咨询或者登陆我们的官网进行查看。

化学气相沉积法制备石墨烯材料

化学气相沉积法新材料的制备 1 化学气相沉积法 化学气相沉积(CVD)是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术,包括大范围的绝缘材料,大多数金属材料和金属合金材料。从理论上来说,它是很简单的:两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内,然后他们相互之间发生化学反应,形成一种新的材料,沉积到晶片表面上。淀积氮化硅膜(Si3N4)就是一个很好的例子,它是由硅烷和氮反应形成的。 1.1 化学气相沉积法的原理 化学气相沉积法是利用气相反应,在高温、等离子或激光辅助灯条件下,控制反应器呀、气流速率、基板材料温度等因素,从而控制纳米微粒薄膜的成核生长过程;或者通过薄膜后处理,控制非晶薄膜的晶化过程,从而或得纳米结构的薄膜材料。 CVD方法可以制备各种物质的薄膜材料。通过反应气体的组合可以制备各种组成的薄膜,也可以制备具有完全新的结构和组成的薄膜材料,同时让高熔点物质可以在较低温度下制备。 1.2 分类 用化学气相沉积法可以制备各种薄膜材料,包括单元素物、化合物、氧化物、氮化物、碳化物等。采用各种反应形式,选择适当的制备条件—基板温度、气体组成、浓度和压强、可以得到具有各种性质的薄膜才来。 通过反应类型或者压力来分类,可以将化学气相沉积法分为:低压CVD(LPCVD),常压CVD(APCVD),亚常压CVD(SACVD),超高真空CVD(UHCVD),等离子体增强CVD(PECVD),高密度等离子体CVD(HDPCVD)以及快热CVD(RTCVD),以及金属有机物CVD(MOCVD) 化学气相沉积的化学反应形式,主要有热分解反应、氢还原反应、金属还原反应、基板还原反应、化学输运反应、氧化反应、加水分解反应、等离子体和激光激发反应等。具体表现如下表: 表1-1 化学气相沉积的各种反应形式

石墨烯作为锂电池负极材料前景渺茫

石墨烯用作锂电负极产业化前景渺茫 2015-06-26 作者: 自从英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)二人因为“二维石墨烯材料的开创性实验”共同获得2010年诺贝尔物理学奖之后,任何与石墨烯有关的新闻或者研究成果都受到了人们极大的关注。最近两年,石墨烯相关“产业”在国内也是如火如荼,与石墨烯有关的数十支概念股一再被爆炒。 国际上当然也没闲着,比如一则轰动性的新闻报道宣称:西班牙Graphenano公司(一家工业规模生产石墨烯的公司)同西班牙科尔瓦多大学合作研究出全球首个石墨烯聚合材料电池,储电量是目前市场最好产品的3倍,用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里,而充电时间不到8分钟。 Graphenano公司相关负责人称,虽然此电池具有各种优良的性能,但成本并不高,该电池的成本将比一般锂离子电池低77%,完全在消费者承受范围之内。 这则消息在国内被很多媒体转载报道,在新能源汽车界和锂电界引起了很大反响。最近有不少朋友询问笔者:“会做石墨烯电池吗?石墨烯电池前景如何?什么时候量产?”笔者相信,很多锂电界同仁也有类似的问题。并不是所有人都有电化学或者材料学背景,关注石墨烯电池也可能是出于不同目的,所以他们都不会问一个最基本的问题:什么是石墨烯电池? 在本文中,笔者希望能够揭开笼罩在石墨烯电池上面的神秘面纱,让大家真正了解石墨烯在电化学储能方面的应用价值,而不是被一些非专业的记者或者炒作者蒙蔽,即便真相也许并不是那么鼓舞人心。 什么是石墨烯?先来看看维基百科的定义:“石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道?成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一??碳原子厚度的二?材料。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料,它?缀跏峭耆?该鞯模?晃??.3%的光;导热系?蹈哌_5300W/m·K,高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s,又比纳米碳管或硅晶体高,而电阻率只约10-8俜m,比铜或银更低,为世上电阻率最小的材料。”

电化学法制备石墨烯

电化学法制备石墨烯 石墨烯(Graphene,GN)是由sp2杂化C原子组成的具有蜂窝状六边形结构的二维平面晶体。石墨烯独特的结构特征使其具有优异的物理、化学和机械等性能,在晶体管太阳能电池传感器、锂离子电池、超级电容器、导热散热材料、电发热膜、场发射和催化剂载体等领域有着良好的应用前景。石墨烯的制备方法对其品质和性能有很大影响,低成本、高品质、大批量的制备技术是石墨烯能得到广泛应用的关键。现有制备石墨烯的方法有很多,包括机械剥离石墨法、液相剥离法、溶剂热合成法、化学气相沉积法、外延生长法和电化学法等。其中,电化学方法因其成本低、操作简单、对环境友好、条件温和等优点而越来越受到人们的关注。据最新研究报道,通过电化学方法制备的石墨烯可以达到克量级,这为石墨烯的工业化生产带来了曙光。 电化学制备技术则是通过电流作用进行物质的氧化或还原,不需要使用氧化剂或还原剂而达到制备与提纯材料的目的,具有生产工艺简单、成本低、清洁环保等优点,已在冶金、有机与聚合物合成、无机材料制备等方面得到广泛应用。而且通过电化学电场作用,可以实现外在电解液离子(分子)对一些层状材料的插入,如锂离子电池石墨负极充电时就是锂离子在石墨层间的插入及石墨层间化合物的电化学制备。根据电化学原理主要有两种路线制备石墨。 1、通过电化学氧化石墨电极可得氧化石墨烯,再通过电化学还原以实 现电化学或化学氧化的氧化石墨烯的还原而得到石墨烯材料。 2、采用类似液相剥离,但施以电场力作用驱动电解液分子以电化学方式直接对石墨阴极进行插层,使石墨层间距变大,层间范德华力变弱,以非氧化方式直接对石墨片层进行电化学剥离制备得到石墨烯。 电化学法制备石墨烯的优势主要为:1)与普通化学氧化还原法相比,不需要用到强氧化剂、强还原剂及有毒试剂,成本低,清洁环保;2)通过电化学方式,在氧化时可以更多地以离子插入方式剥离而减少氧化程度降低对石墨烯结构的破坏,电化学还原时则能更彻底还原,因此制得的石墨烯具有更好的物理化学性质;3)以石墨工作电极为阴极进行非氧化直接剥离时,石墨片层结构没有受到破坏,可以得到与液相或机械剥离法一样高品质的石墨烯片,但因为电化学的强电场作用,比单纯的溶剂表面作用力或超声作用力要大得多,剥离的效率更高,与液相或机械剥离法相比,电化学剥离易实现高品质石墨烯批量制备;4)电化学制备过程中,电流与电压很容易精确控制,因此容易实现石墨烯的可控制备与性能调控,而且电化学法工艺过程与设备简单,容易操作控制;5)与CVD 及有机合成法相比,电化学法采用石墨为原料,我国石墨产量居世界前列,原料丰富成本低廉,不需要用到烯类等需大量进口的高价石化原料。 一、石墨阳极氧化剥离制备石墨烯 阳极氧化剥离制备石墨烯就是将石墨作为阳极,电源在工作时电解质中的阴离子向阳极移,进而进入阳极石墨导致石墨被插层而体积膨胀,当阳极石墨的体积增加到一定程度时,就会由于层间范德华作用力的减小而最终从块体上脱落下来,形成层状具有一定含氧官能团的石墨烯或氧化石墨烯(包括单层和2~10层的少层氧化石墨烯)。石墨由于电化学氧化和酸性阴离子的插层导致表面体积剧烈膨胀,这种现象在很早之前就有报道。近年来提出了电化学法阳极氧化石墨制备石墨烯的机理,在进行电化学反应时电解液中的阴离子会向阳极迁移,由于石

水热合成Fe2O3石墨烯纳米复合材料及其电化学性能研究

常熟理工学院学报(自然科学)Journal of Changshu Institute Technology (Natural Sciences )第26卷第10Vol.26No.102012年10月Oct.,2012 收稿日期:2012-09-05 作者简介:季红梅(1982—),女,江苏启东人,讲师,工学硕士,研究方向:无机功能材料.水热合成Fe 2O 3/石墨烯纳米 复合材料及其电化学性能研究 季红梅1,于湧涛2,王露1,王静1,杨刚1 (1.常熟理工学院化学与材料工程学院,江苏常熟215500;2.吉林石化公司研究院,吉林吉林132021) 摘要:利用水热法成功合成了Fe 2O 3/石墨烯(RGO )锂离子电池负极材料.导电性能良好的石墨烯网络起到连接导电性能极差的Fe 2O 3和集流体的作用.电化学性能测试表明,180℃下得到的 Fe 2O 3/RGO 具有良好的比容量和循环稳定性.在不同倍率充放电过程中,初始放电比容量为1023.6mAh/g (电流密度为40mA/g ),电流密度增加到800mA/g 时,放电比容量维持在406.6 mAh/g ,大于石墨的理论放电比容量~372mAh/g.在其他较高的电流密度下比容量均保持基本不变.该Fe 2O 3/RGO 有望成为高容量、低成本、低毒性的新一代锂离子电池负极材料.关键词:Fe 2O 3;石墨烯;负极材料中图分类号:TM911文献标识码:A 文章编号:1008-2794(2012)10-0055-05 自从P.Poizot [1]等报道过渡金属氧化物可以作为锂离子电池负极材料这一研究后,金属氧化物负极便逐渐引起人们的重视.铁的氧化物具有比容量大、倍率性能好和安全性能高等优点,且原料来源丰富、价格低廉、环境友好,因此是一类很有发展潜力的动力锂离子电池负极材料.Fe 2O 3作为一种常温下最稳定的铁氧化合物,理论容量为1005mAh/g ,远高于石墨类材料的理论比容量,已经成为锂离子电池负极材料的一个研究热点.近年来,石墨烯由于其高的电传导性,大的比表面积,良好的化学稳定性和柔韧性而被尝试用于与活性锂离子电池负极材料复合,提升材料的电化学性能.比如,Cui Y [2]课题组在溶剂热条件下两步法得到Mn 3O 4与石墨烯的复合材料,改善了Mn 3O 4的比容量和循环性能.Co 3O 4,Fe 3O 4等金属氧化物材料与石墨烯复合也有被研究,本课题组在石墨烯和金属氧化物材料复合方面也做了大量的工作[3].本文通过水热法一步合成Fe 2O 3/石墨烯纳米复合材料,并研究了其电化学性能,合成过程中采用三乙烯二胺提供反应的碱性环境,并控制Fe 2O 3的粒子生长.1 实验 1.1试剂和仪器 三乙烯二胺(C 6H 12N 2);无水三氯化铁(FeCl 3);石墨;硝酸钠(NaNO 3);浓硫酸(H 2SO 4);高锰酸钾(KMnO 4);双氧水(H 2O 2)和盐酸(HCl ),以上试剂均为分析纯.实验用水为去离子水.日本理学H-600型透射电子显微镜;日本理学D/max2200PC 型X 射线衍射仪;德国Bruker Vector 22红外光谱仪;日本JEOL-2000CX 透射电镜;美国Thermo Scientific Escalab 250Xi 光电子能谱仪;LAND 电池

电化学法制备石墨烯及其导电特性

Vol.33高等学校化学学报No.82012年8月 CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES 1804~1808电化学法制备石墨烯及其导电特性 朱龙秀,李英芝,赵 昕,张清华 (东华大学材料科学与工程学院,纤维材料改性国家重点实验室,上海200051) 摘要 采用电化学方法将石墨层电解剥离,得到分散于电解质溶液的结构较为完整的石墨烯.用透射电子显微镜和拉曼光谱分析了石墨烯的形貌和结构,利用四探针法测定了石墨烯导电特性.实验数据和理论拟合结果表明,当100K

石墨烯修饰电极的电化学性能

https://www.doczj.com/doc/5113403988.html,锦生炭素 石墨烯修饰电极的电化学性能 石墨烯(Graphene)是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料,是构建零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨等其他碳质材料的基本单元,具有许多优异而独特的物理、化学和机械性能,在微纳电子器件、光电子器件、新型复合材料以及传感材料等方面有着广泛的应用前景,基于石墨烯的相关研究也成为目前电化学领域的热点研究领域之一。 本论文围绕石墨烯的不同修饰电极条件,结合电化学基础研究,开展了石墨烯及其相关的电化学性能研究。具体内容归纳如下: (1)将石墨烯与具有良好导电性能的聚苯胺(PANI)复合,研究了石墨烯/聚苯胺复合物修饰电极的电化学性能。利用石墨烯与聚苯胺之间电子给体与电子受体的相互作用,实现了聚苯胺在中性甚至强碱性溶液中的电化学活性,并利用红外光谱、拉曼光谱和紫外光谱进行了可能的机理探讨。石墨烯/聚苯胺复合物材料在中性溶液里的电化学活性,在生物传感领域具有可能的应用空间;同时,在不同pH 溶液里的电化学活性也为石墨烯/聚苯胺复合物材料在pH传感中提供了可能的应用空间。 (2)将石墨烯与具有电绝缘性能的凡士林混合,研究了石墨烯/凡士林膜电极的电化学性能。循环伏安测试表明:采用10.0 mg/mL、5.0 mg/mL和1.0 mg/mL的石墨烯/凡士林修饰电极可以依次得到常规尺寸电极、亚微尺寸电极和微尺寸的纳米电极阵列,并且通过简单混合所制备的石墨烯/凡士林膜电极具有良好的电化学活性和稳定性。作为新型碳材料的膜电极,石墨烯/凡士林膜电极在基础电化学研究和应用中具有一定的潜在价值。 (3)将石墨烯组装在具有完全电绝缘性能的硫醇自组装膜电极上,研究了石墨烯/硫醇自组装膜电极的电化学性能。交流阻抗数据表明,随着组装时间的增加,石墨烯/硫醇自组装膜电极的电化学阻抗逐渐降低,表明石墨烯在硫醇自组装膜上是一个可控的组装过程。循环伏安测试还表明,石墨烯的组装时间是120 min和5 min时,可以分别得到常规尺寸和微尺寸纳米电极阵列的石墨烯/硫醇自组装膜电极,而且对抗坏血酸、多巴胺、尿酸具有较好的电催化活性。同时,为了探讨可能的实验机理,我们讨论了电子传递的可能原因以及影响自组装膜电极双电层结构的两个因素。结果表明随着硫醇中碳链长度的增加,电子传递速率逐渐降低,氧化还原峰电位的差值逐渐增大;不同碳材料的电子转移速率呈现为:石墨烯>多孔碳>石墨。这种采用简单而有效的方法制备的石墨烯/硫醇自组装膜电极,在电化学理论研究和实际应用中具有较好的前景。 超级电容器是一种绿色、新型的储能元件,由于其高效、无污染的优良特性,符合“低碳”经济的发展要求,受到了人们的高度重视。超级电容器的核心是电极材料。 新兴的石墨烯二维单层原子碳材料因具有大的比表面积、优异的导电性、高的机械强度,被认为是理想的超级电容器电极材料。化学方法制备的氧化石墨烯具有良好的成膜性,可用于制备“石墨烯纸”并进而应用于无支撑电极。 此外,氧化石墨烯上丰富的含氧官能团可用于锚定金属纳米粒子,形成石墨烯复合材料。本论文围绕石墨烯薄膜制备、修饰和电化学电容性质开展研究工作,发展了石墨烯/碳纳米管复合薄膜的溶液铸造制备方法,提出了水热还原制备石墨烯基复合薄膜的途径,并研究了所制备材料的电容性能,取得了

石墨烯的制备及电化学性能研究

目录 摘要............................................................................................................................ I Abstract ......................................................................................................................... I I 1 引言 (1) 1.1 石墨烯的制备 (2) 1.1.1 机械剥离法 (2) 1.1.2 电化学剥离法 (2) 1.1.3 化学气相沉积法 (3) 1.2 石墨烯电极材料的制备 (5) 1.3 石墨烯电极材料电化学性能测试 (5) 2 实验部分 (6) 2.1 实验试剂 (6) 2.2 实验仪器 (6) 2.3 RHAC和GQDs的制备 (6) 2.4 RHAC-GQDs的制备 (6) 2.5 电极制备和电池组装 (7) 3 结果和讨论 (8) 3.1 分析了RHAC的比表面积和孔隙结构 (8) 3.2 GQDs的拉曼光谱和荧光光谱分析 (8) 3.3 红外光谱分析 (8) 3.4 XRD分析 (8) 3.5 扫描电镜分析 (9) 3.6 循环伏安法测试分析 (9) 3.7 恒流充放电试验分析 (9) 3.8 电化学阻抗分析 (10) 4 结论与展望 (12) 4.1 结论 (12) 4.2 主要创新点 (12) 4.3 展望 (12) 参考文献 (13) 致谢............................................................................................ 错误!未定义书签。

石墨烯的化学气相沉积法制备_图文(精)

收稿日期:2010 12 31; 修回日期:2011 02 14 基金项目:国家自然科学基金(50872136,50972147,50921004、中国科学院知识创新项目(K J CX 2 YW 231. 通讯作者:任文才,研究员.E m ai:l w cren@i m r .ac .cn;成会明,研究员.E m ai:l chen g @i m r .ac .cn ;高力波.E m ai:l l bgao @i m r .ac .cn 作者简介:任文才(1973-,男,山东东营人,博士,研究员,主要研究方向为石墨烯和碳纳米管的制备、物性和应用. E m ai:l w cren @i m r .ac .cn 文章编号: 1007 8827(201101 0071 10 石墨烯的化学气相沉积法制备 任文才, 高力波, 马来鹏, 成会明 (中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合实验室,辽宁沈阳110016 摘要: 化学气相沉积(CVD 法是近年来发展起来的制备石墨烯的新方法,具有产物质量高、生长面积大等优点,逐渐成为制备高质量石墨烯的主要方法。通过简要分析石墨烯的几种主要制备方法(胶带剥离法、化学剥离法、S i C 外延生长法和CV D 方法的原理和特点,重点从结构控制、质量提高以及大面积生长等方面评述了CV D 法制备石墨烯及其转移技术的研究进展,并展望了未来CVD 法制备石墨烯的可能发展方向,如大面积单晶石墨烯、石墨烯带和石墨烯宏观体的制备与无损转移等。关键词: 石墨烯;制备;化学气相沉积法;转移中图分类号: TQ 127.1+1 文献标识码: A 1 前言 自从1985年富勒烯[1] 和1991年碳纳米管[2]

石墨烯在离子液体电解液中的电化学行为

石墨烯在离子液体电解液中的电化学行为 阎兴斌1,*,刘文文1,2,郎俊伟1, 薛群基1 1中国科学院兰州化学物理研究所,甘肃省兰州市天水中路18号,730000 2中国科学院研究生院,北京市石景山区玉泉路19号(甲),100049 *Email: xbyan@https://www.doczj.com/doc/5113403988.html, 石墨烯因其具有极好的导电率和超高的比表面积而被广泛研究用做超级电容器的电极材料。然而其能量密度还需进一步提高。电解液是影响电容器性能的关键因素之一,适合的电解液对提高超级电容器的性能具有重要的作用。已有报道,利用离子液体作为石墨烯超级电容器的电解液可以提高其能量密度。然而,石墨烯在离子液体中的电化学行为还有待于进一步研究。 本文运用电化学等测试技术详细研究了有机溶剂、咪唑类离子液体阳离子烷基链和阴离子官能团、离子液体浓度、离子液体温度,以及离子液体在石墨烯中的插层现象等对石墨烯超级电容器性能的影响[1]。实验结果表明:石墨烯电极在EMIMBF4/DMF电解液中具有优异的电容行为,同时其电容行为受阳离子烷基链的长度、阴离子官能团和离子液体摩尔浓度等因素影响。实验结果还发现,石墨烯-EMIMBF4电解液体系在-20℃-60℃温度范围内都具有较好的电容性能。 关键词:石墨烯;离子液体;烷基链;温度;超级电容器 参考文献 [1] Liu, W.W.; Yan, X.B.; Lang, J.W.; Xue Q.J. J. Mater. Chem., 2011, 21: 13205. Electrochemical behavior of graphene sheets in the ionic liquid electrolyte Xingbin Yan1,* Wenwen Liu1,2, Junwei Lang1,Qunji Xue1 1Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, 18 Tianshui road (M.), Lanzhou, 730000 2Graduate School of Chinese Academy of Sciences, 19 Yuquan road, Beijing, 100049 Graphene has been widely studied as the electrode material of supercapacitors due to its excellent electrical conductivity and ultra-high surface area. However, its energy density still needs to improve compared with other energy cells. The electrolyte is one of the key factors affecting the capacitor performance. Thus, it is of great significance to develop new type electrolytes to increase the energy density of supercapacitors. Ionic liquids have been reported as the electrolytes in graphene supercapacitors owing to its excellent performance, but the electrochemical behavior of graphene in ionic liquid electrolytes needs to be further studied. In this work, the effects of organic solvents, the cation alkyl chain of imidazolium ionic liquid, the anionic functional groups of imidazole ionic liquids, ionic liquid molar concentration and temperature, and the intercalation of ionic liquids on the supercapacitive of graphene sheets have been investigated by electrochemical test techniques. The results show that graphene electrode has a good capacitive behavior in EMIMBF4/DMF electrolyte, and its capacitance has been affected by the cation alkyl chain length, the anionic functional groups, and the molar concentration. Moreover, the graphene electrode has the excellent performance in EMIMBF4 electrolyte at the operating temperature ranging from -20 ℃ to 60 ℃.

石墨烯修饰电极电化学性能

石墨烯修饰电极的电化学性能 石墨烯(Graphene>是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料,是构建零维富勒烯、一维碳纳M管、三维石墨等其他碳质材料的基本单元,具有许多优异而独特的物理、化学和机械性能,在微纳电子器件、光电子器件、新型复合材料以及传感材料等方面有着广泛的应用前景,基于石墨烯的相关研究也成为目前电化学领域的热点研究领域之一。 本论文围绕石墨烯的不同修饰电极条件,结合电化学基础研究,开展了石墨烯及其相关的电化学性能研究。具体内容归纳如下: (1>将石墨烯与具有良好导电性能的聚苯胺(PANI>复合,研究了石墨烯/聚苯胺复合物修饰电极的电化学性能。利用石墨烯与聚苯胺之间电子给体与电子受体的相互作用,实现了聚苯胺在中性甚至强碱性溶液中的电化学活性,并利用红外光谱、拉曼光谱和紫外光谱进行了可能的机理探讨。石墨烯/聚苯胺复合物材料在中性溶液里的电化学活性,在生物传感领域具有可能的应用空间。同时,在不同pH溶液里的电化学活性也为石墨烯/聚苯胺复合物材料在pH传感中提供了可能的应用空间。 (2>将石墨烯与具有电绝缘性能的凡士林混合,研究了石墨烯/凡士林膜电极的电化学性能。循环伏安测试表明:采用10.0 mg/mL、5.0 mg/mL和1.0 mg/mL的石墨烯/凡士林修饰电极可以依次得到常规尺寸电极、亚微尺寸电极和微尺寸的纳M电极阵列,并且通过简单混合所制备的石墨烯/凡士林膜电极具有良好的电化学活性和稳定性。作为新型碳材料的膜电极,石墨烯/凡士林膜电极在基础电化学研究和应用中具有一定的潜在价值。 (3>将石墨烯组装在具有完全电绝缘性能的硫醇自组装膜电极上,研究了石墨烯/硫醇自组装膜电极的电化学性能。交流阻抗数据表明,随着组装时间的增加,石墨烯/硫醇自组装膜电极的电化学阻抗逐渐降低,表明石墨烯在硫醇自组装膜上是一个可控的组装过程。循环伏安测试还表明,石墨烯的组装时间是120 min和5 min时,可以分别得到常规尺寸和微尺寸纳M电极阵列的石墨烯/硫醇自组装膜电极,而且对抗坏血酸、多巴胺、尿酸具有较好的电催化活性。同时,为了探讨可能的实验机理,我们讨论了电子传递的可能原因以及影响自组装膜电极双电层结构的两个因素。结果表明随着硫醇中碳链长度的增加,电子传递速率逐渐降低,氧化还原峰电位的差值逐渐增大。不同碳材料的电子转移速率呈现为:石墨烯>多孔碳>石墨。这种采用简单而有效的方法制备的石墨烯/硫醇自组装膜电极,在电化学理论研究和实际应用中具有较好的前景。 超级电容器是一种绿色、新型的储能元件,因为其高效、无污染的优良特性,符合“低碳”经济的发展要求,受到了人们的高度重视。超级电容器的核心是电极材料。 新兴的石墨烯二维单层原子碳材料因具有大的比表面积、优异的导电性、高的机械强度,被认为是理想的超级电容器电极材料。化学方法制备的氧化石墨烯具有良好的成膜性,可用于制备“石墨烯纸”并进而应用于无支撑电极。 此外,氧化石墨烯上丰富的含氧官能团可用于锚定金属纳M粒子,形成石墨烯复合材料。本论文围绕石墨烯薄膜制备、修饰和电化学电容性质开展研究工作,发展了石墨烯/碳纳M管复合薄膜的溶液铸造制备方法,提出了水热还原制备石墨烯基复合薄膜的途径,并研究了所制备材料的电容性能,取得了以下的研究成果:1.利用氧化石墨烯良好的成膜性,通过溶液铸造方法,制备了氧化石墨烯薄膜和氧化石墨烯/碳纳M管复合薄膜。 然后通过200℃退火,得到了相应的石墨烯薄膜、石墨烯/碳纳M管薄膜。这种薄膜通过石墨烯层间相互作用结合,例如π-π堆积,以及范德华力等,因而能够在各种极性电解液中稳定存在。复合薄膜的比电容在70~110 F/g,并且因为其表面仍然存在着部分含氧官能团的作用,显示了一定的赝电容的特性,表明其作为超级电容器电极的潜质。2.通过抽虑法制备了氧化石墨烯/碳纳M管复合薄膜。在水热条件下,氧化石墨烯被水还原并实现自组装,重新构建成具有π-π堆积的网络状三维结

石墨烯的制备方法

一.文献综述 随着社会的发展,人们对材料的要求越来越高,碳元素在地球上分布广泛,其独特的物理性质和多种多样的形态己逐渐被人类发现、认识并利用。1924年 确定了石墨和金刚石的结构;1985年发现了富勒烯;1991年发现了碳纳米管;2004年,曼彻斯特大学Geim等成功制备的石墨烯是继碳纳米管被发现后富勒烯 家族中又一纳米级功能性材料,它的发现使碳材料领域更为充实,形成了从零维、一维、二维到三维的富勒烯、碳纳米管、石墨烯以及金刚石和石墨的完整系统。而2004年至今,关于氧化石墨烯和石墨烯的研究报道如雨后春笋般涌现,其已 成为物理、化学、材料学领域的国际热点课题。 制备石墨烯的方法有很多种,如外延生长法,氧化石墨还原法,CVD法, 剥离-再嵌入-扩涨法以及有机合成法等。在本文中主要介绍氧化石墨还原法。 除此之外,还对其的一些性能进行表征。 二.石墨烯材料 2.1石墨烯材料的结构和特征 石墨烯(gr即hene)是指碳原子之间呈六角环形排列的一种片状体,由一层 碳原子构成,可在二维空间无限延伸,可以说是严格意义上的二维结构材料,同时,它被认为是宇宙上最薄的材料[`2],也被认为是有史以来见过的最结实的材料。 ZD结构的石墨烯具有优异的电子特性,且导电性依赖于片层的形状和片层数,据悉石墨烯是目前已知的导电性能最出色的材料,可运用于导电高分子复合 材料,这也使其在微电子领域、半导体材料、晶体管和电池等方面极具应用潜力。有专家指出,如果用石墨烯制造微型晶体管将能够大幅度提升计算机的运算速度,其传输电流的速度比电脑芯片里的硅元素快100倍。近日,某科技日报称,mM的 研究人员展示了由石墨烯材料制作而成的场效应晶体管(FET),经测试,其截止频率可达100吉赫兹(GHz),这是迄今为止运行速度最快的射频石墨烯晶体管。石 墨烯的导热性能也很突出,且优于碳纳米管。石墨烯的表面积很大,McAlliste: 等通过理论计算得出石墨烯单片层的表面积为2630扩/g,这个数据是活性炭的 2倍多,可用于水净化系统。

石墨烯常用计量单位及简介

石墨烯 一、常用的计量单位及含义 纯度(Purity): wt% 【“wt%”是重量含量百分数(%);wt是英文weight的简写。】 比表面积SSA(Special Surface Area): m2/g 【比表面积是指单位质量物料所具有的总面积。单位是m2/g,通常指的是固体材料的比表面积,例如粉末、纤维、颗粒、片状、块状等材料。】 电导率(Conductivity):S/m 【电导率,物理学概念,也可以称为导电率。在介质中该量与电场强度E之积等于传导电流密度J。对于各向同性介质,电导率是标量;对于各向异性介质,电导率是张量。生态学中,电导率是以数字表示的溶液传导电流的能力。单位以西门子每米(S/m)表示。电导率是用来描述物质中电荷流动难易程度的参数。】 振实密度(Tap Density): mg/mL 【振实密度是指在规定条件下容器中的粉末经振实后所测得的单位容积的质量。振实密度或者说体积密度(在一些工业领域称为松装密度)定义为样品的质量除以它的体积,这一体积包括样品本身和样品孔隙及其样品间隙体积。堆积密度对于表征催化剂、发泡材料、绝缘材料、陶瓷、粉末冶金和其它工业生产品都是必要的。】 片径(Scale):microns/μm 灰分(ASH):wt% 【无机物,可以是锻烧后的残留物也可以是烘干后的剩余物。但灰分一定是某种物质中的固体部分而不是气体或液体部分。在高温时,发生一系列物理和化学变化,最后有机成分挥发逸散,而无机成分(主要是无机盐和氧化物)则残留下来,这些残留物称为灰分。】 体积电阻率(Volume Resistivity):Ω?m 【体积电阻率,是材料每单位体积对电流的阻抗,用来表征材料的电性质。通常体积电阻率越高,材料用做电绝缘部件的效能就越高。通常所说的电阻率即为体积电阻率。,ρv=R v S/h式中,h是试样的厚度(即两极之间的距离);S是电极的面积,ρv的单位是Ω·m(欧姆·米)】 中值粒径D(50):4-6μm【D50:一个样品的累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径。它的物理意义是粒径大于它的颗粒占50%,小于它的颗粒也占50%,D50也叫中位粒径或中值粒径。D50常用来表示粉体的平均粒度。】 方阻(方块电阻):Ω/sq【在一长为l,宽w,高d(即为膜厚),此时L=l,S=w*d,故R=ρ*l/(w*d)=(ρ/d)*(l/w)。方块电阻R=ρ/d令l=w于是R=(ρ/d),其中ρ为材料的电阻率,此时的R为方阻。蒸发铝膜、导电漆膜、印制电路板铜箔膜等薄膜状导电材料,衡量它们厚度的最好方法就是测试它们的方阻。什么是方阻呢?方阻就是方块电阻,指一个正方形的薄膜导电材料边到边“之”间的电阻,方块电阻有一个特性,即任意大小的正方形边到边的电阻都是一样的,不管边长是1米还是米,它们的方阻都是一样,这样方阻仅与导电膜的厚度等因素有关】 迁移率(Mobility):cm2/V·s 【指单位电场强度下所产生的载流子平均漂移速度。它的单位是厘米2/(伏·秒)。迁移率代表了载流子导电能力的大小,它和载流子(电子或空穴)浓度决

比较三种化学方法制备石墨烯

一、利用液氨作为还原剂,还原氧化石墨。 工艺: 1、将60 g的颗粒状天然石墨,硝酸钠30 g加入l0L的双层玻璃反应釜中冷却至0℃;再将2500 mL浓硫酸缓慢加入反应釜中充分搅拌3 0 min,保持反应体系的温度不高于4℃;然后,将180 g高锰酸钾加入反应釜中并充分搅拌60 min,同时保持反应体系温度不高于8℃,此阶段为低温反应。 2、撤走冷浴,用高温恒温循环泵将反应体系加热至35℃,并充分搅拌3h,得到褐色悬浮液,再缓慢加入90 g高锰酸钾反应12h,保持反应体系的温度不高于

40℃,此阶段为中温反应。 3、撤走高温恒温循环泵,用低温冷却循环泵将反应系统温度控制在5℃以下,将7L去离子水缓慢滴加入褐色悬浮液中,体系温度骤然升高,并伴有大量气体生成,稀释的悬浮液在此温度下搅拌60 min。 4、向悬浮液中加入50 mL的H202(30%),室温下搅拌60 min,得到亮黄色氧化石墨 分散液。 5、将上述分散液静置2 h,分层,去除上清液后,加入一定量的去离子水,过滤,得到黄褐色滤饼。用5000 mL稀盐酸(10%)将滤饼洗涤2次后,再分散于5000 mL 去离子水中,过滤,用大量去离子水洗涤至溶液中无氯离子(可用AgN03溶液检测),且接近中性。然后将剩余固体产物在60 ℃的真空干燥箱中干燥24 h,研磨过筛后得到的氧化石墨。 石墨烯的制备 用低温冷却循环泵在一定温度下将高纯氨在密封容器中液化,加入一定量干燥的氧化石墨用超声细胞粉碎机超声剥离1h,将一定量的金属铿放入液氨中,溶液变成蓝色,继续保持超声30 min溶液变黑,停止冷却自然升温使液氨挥发,向得到的黑色固体中加入乙醇超声分散,过滤用去离子水洗涤至中性,真空60℃干燥12h,得到黑色的石墨烯。在其他实验条件相同的条件下,将铿用金属钠和金属钾代替,得到对应的碱金属还原的石墨烯。 小结:采用液氨作为溶剂超声剥离氧化石墨,利用液氨一碱金属强还原性,碱金属进一步插层剥离氧化石墨同时将其还原。实验结果表明,低温的还原体系有效避免了热还原过程中重新团聚的产生,从透射电镜观察得到的石墨烯片层厚度在2-5 nm,红外和XPS证实大部分含氧基团被去除。 还原剂锂不易存放,石墨烯制备时所使用的试剂腐蚀性强。 二、用抗坏血酸(L-AA)(维生素)作还原剂,还原氧化石墨,所得到的是化学还原氧化石墨(CRG) 工艺: 1.在室温下,将30 μm的颗粒状天然石墨2 g,硝酸钠1g加入250 mL三口瓶中冷却至0 ℃;再将_50 mL浓硫酸缓慢加入三口瓶中充分搅拌30 min,并保持反应体系的温度不高于5 ℃;然后,将0.3 g高锰酸钾加入三口瓶中并充分搅拌30 min,同时保持反应体系温度不高于10 ℃;在1h内,再将7g高锰酸钾分3批加入三口瓶中,保持反应体系温度不高于20 ℃,此阶段为低温反应。 2.撤走冷浴,用水浴将反应体系加热至3 5士3 ℃,并充分搅拌2h,得到褐色悬浮液,此阶段为中温反应。 3.将90 mL水缓慢滴加入褐色悬浮液中,体系温度骤然升高至90 ℃,并伴有大量气体生成,稀释的悬浮液在此温度下反应15 min,此阶段对高温反应。 4.向悬浮液中加入H2O2 (30%, 7 mL)与超纯水(55 mL, 45 ℃)的混合溶液, 并得到亮黄色氧化石墨分散液。

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