石墨烯/聚苯胺复合材料的制备及其电化学性能

以苯胺和氧化石墨烯(GO)为原料, 采用电化学方法制备了石墨烯/聚苯胺(GP)复合材料. 利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、拉曼(Raman)光谱、X射线光电子能谱分析(XPS)对其结构、微观形貌进行了表征,并对复合材料电化学性能进行了测试. 结果表明, 复合材料保持了石墨烯的基本形貌, 聚苯胺颗粒均匀地分散在石墨烯表面, 复合材料在500 mA·g^-1的电流密度下比电容达到352 F·g^-1, 1000 mA·g^-1下比电容为315 F·g^-1, 经过1000 次的充放电循环后容量保持率达到90%, 远大于石墨烯和聚苯胺单体的比电容. 复合材料放电效率高, 电解质离子易于在电极中扩散和迁移.     

基于羧甲基纤维素钠制备氮掺杂多孔炭及其电容性能研究

以羧甲基纤维素钠(NaCMC)为碳源, 利用直接炭化工艺(无需进一步活化)制备多孔炭材料; 然后, 以CO(NH₂)₂为氮源, 形成了氮掺杂多孔炭材料. 氮的存在形式包括吡啶N、石墨N和吡咯N. 实验结果表明, 羧甲基纤维素钠与CO(NH₂)₂之间的配比可以有效控制氮存在形式、含量、样品的比表面积及孔的结构等. 样品的电化学性能测试表明, 氮掺杂后多孔炭材料的超电容性能得到了显著提升. 以carbon-N-1:20为例, 其比表面积可达858 m²·g^-1, 远高于未经氮掺杂carbon-blank 的463 m²·g^-1, 其质量比电容则由94.0 F·g^-1提高到了156.7F·g^-1.     

聚苯胺改性氮掺杂碳纳米管制备及其超级电容器性能

利用苯胺原位化学聚合合成聚苯胺包覆碳纳米管(CNTs), 再炭化处理制备氮掺杂碳纳米管(NCNTs).激光拉曼(Raman)光谱和X射线光电子谱(XPS)分析及透射电镜(TEM)观察表明, 苯胺包覆碳纳米管经炭化处理后, 得到以碳纳米管为核、氮掺杂碳层为壳, 具有核-壳结构的氮掺杂碳纳米管, 而碳纳米管本征结构未遭破坏. 研究表明, 随着苯胺用量的增大, 氮掺杂碳纳米管的氮掺杂碳层变厚, 氮含量从7.06%(质量分数)增加到8.64%, 而作为超级电容器电极材料, 随着氮掺杂碳层厚度降低, 氮掺杂碳纳米管在6 mol·L^-1氢氧化钾电解液中的比容量从107 F·g^-1增大到205 F·g^-1, 远高于原始碳纳米管10 F·g^-1的比容量, 且聚苯胺改性氮掺杂碳纳米管表现出较好的充放电循环性, 经1000次充放电循环后仍保持初始容量的92.8%~97.1%, 表明氮掺杂碳纳米管不仅通过表面氮杂原子引入大的法拉第电容和改善亲水性使电容量显著增大, 其具有的核壳结构特征也使循环稳定性增强。     

水热合成部分还原氧化石墨烯-K2Mn4O8超级电容器纳米复合材料

通过控制水热反应温度以及氧化石墨烯(GO)与高锰酸钾的填料比, 合成了两组部分还原的GO-K₂Mn₄O₈纳米复合材料. X射线衍射(XRD)分析说明水热过程中合成了α-MnO₂和一种新的晶相K₂Mn₄O₈.通过X射线光电子能谱(XPS)分析了水热反应前后氧化石墨的含氧官能团的变化. 扫描电子显微镜(SEM)显示样品由片状还原的氧化石墨烯构成, 其表面附有许多小的纳米颗粒, 这种结构有利于储能时电子的传递. 通过这两组复合材料的结构分析, 更好地理解了材料的电化学性能的变化. 利用循环伏安法和恒流充放电测试比较了材料的电容性能. 用1 mol·L^-1的硫酸钠做电解液, 电位范围是0-1 V, 在1 A·g^-1的电流密度下, 测得的样品最佳比电容达到251 F·g^-1, 能量密度为32 Wh·kg^-1, 功率密度为18.2 kW·kg^-1. 并且在5 A·g^-1的电流密度下循环1000次后样品的比电容仍维持在初始比电容的88%.     

无模板剂合成用于超级电容器的二氧化锰/石墨烯复合材料

以尿素、四水合氯化锰和氧化石墨烯为原料,采用水热法并通过热分解制备了一种具有石墨烯包覆结构的石墨烯-二氧化锰复合材料,利用扫描电子显微镜、X射线衍射、比表面积（BET）、拉曼光谱和热失重等技术对其形貌、晶体结构及表面结构进行了表征;在三电极条件下利用循环伏安法、恒流充放电法和交流阻抗法测试了材料的电化学性能,并考察了不同石墨烯含量对材料比电容的影响. 结果表明,在不添加模板剂的条件下制备的复合材料中二氧化锰是具有介孔结构的α-MnO₂,当复合15%（质量分数）的石墨烯后材料的比表面积从109 m²·g^-1提高到168 m²·g^-1. 复合材料具有更好的电化学性能,在0.2 A·g^-1电流密度下复合材料的比电容达到最大值（454 F·g^-1）,远高于纯二氧化锰的值（294 F·g^-1）. 在2 A·g^-1的电流密度下恒流充放电2000 次后复合材料的比电容保持率为92%.     

氮掺杂介孔碳的制备及其电化学超电容性能

通过直接炭化沸石咪唑酯骨架结构材料（ZIF-8）纳米多面体,成功制备了氮掺杂介孔碳（NMCs）. 采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）及比表面和孔隙度分析仪对其微观形貌和结构进行了表征,并对NMCs的电化学超电容性能进行了测试. 结果表明：NMCs具有规整的形貌、介孔纳米结构和较大比表面积（2737 m²·g^-1）;由于氮元素掺杂所赋予的优异的表面润湿性和赝电容性能,且介孔结构有利于电解质到达电极活性材料表面,NMCs表现出优异的电化学超电容性能,在1 A·g^-1的电流密度下,1.0 mol·L^-1H₂SO₄溶液中的比电容值为307 F·g^-1,并具有良好的功率特性;此外,在10A·g^-1的大电流密度下充放电循环5000次后,NMCs的比电容值保持率为96.9%.     

三维碳微米管/碳纳米管复合结构的制备及在超级电容器中的应用

利用天然生物质杨絮特殊的管状结构通过简单的高温碳化法制备出碳微米管(CMTs). 将所得到的碳微米管作为基底, 采用化学气相沉积法制备出三维结构的碳微米管/碳纳米管(CNTs)复合材料. 利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)光谱仪、拉曼光谱仪对其进行了详细分析. 通过两电极测试体系对其超级电容性能进行测试, 碳微米管/碳纳米管复合电极在1 mol·L^-1Li₂SO₄电解液中的比电容值可达77 F·g^-1, 远大于碳微米管的比电容值(23 F·g^-1).     

纳米多孔结构镍基复合膜电极的电化学法制备及其电容特性

通过对电沉积法得到的Ni-Cu合金镀层进行电化学去合金化处理, 制备了纳米多孔结构金属镍膜. 采用循环伏安法对多孔金属镍膜在1 mol·L^-1 KOH溶液中进行阳极氧化处理, 获得了纳米多孔结构的镍基复合膜电极. 应用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和电化学技术对所制备的膜电极的物理性质及赝电容特性进行了表征. SEM、XRD和XPS的测试结果表明, 所制备的纳米多孔结构镍基复合膜由Ni、Ni(OH)₂和NiOOH组成. 电化学实验结果显示, 该复合膜在20 A·g^-1的充放电电流密度下, 给出了578 F·g^-1的初始比电容; 在1000次充放电循环后, 它的比电容值为544 F·g^-1, 电容保持率为94%. 纳米多孔结构有利于KOH电解液的渗透, 从而促进反应物种在电极内部的传输; 纳米多孔的金属镍基体可以提高Ni(OH)₂膜的电子导电性; 纳米大小的Ni(OH)₂颗粒能够缩短质子的固相扩散路径. 上述因素是所制备的纳米多孔结构镍基复合膜电极具有优异赝电容特性的主要原因.     

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

以FeCl₃-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(1 mol·L^-1 Na₂SO₄和1 mol·L^-1 H₂SO₄)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0.5 A·g^-1时, GO/PPy 插层复合材料在Na₂SO₄和H₂SO₄电解液中的比电容分别为449.1 和619.0 F·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.     

超高比表面积氮掺杂多孔碳材料的制备及其超级电容性能

以蔗糖为碳源、尿素为氮源、草酸钾为活化剂,通过简单的研磨和高温碳化制备了具有超高比表面积(大于3 000 m²·g^-1)的氮掺杂多孔碳材料。采用多种手段对多孔碳材料的微观形貌、比表面积、孔结构和表面氮物种进行了表征,探究了不同温度下草酸钾和尿素对碳材料的比表面积、氮含量和超级电容性能的影响。结果表明,仅使用草酸钾作为活化剂制备的碳材料KC-800的比表面积为1 114 m²·g^-1,而同时使用草酸钾和尿素制备的样品KNC-800的比表面积高达3 033 m²·g^-1。在以6.0mol·L^-1KOH为电解液的三电极体系中,当电流密度为0.5 A·g^-1时,KNC-800的比电容为405 F·g^-1,而KC-800的比电容仅为248 F·g^-1。这表明草酸钾和尿素的加入显著提高了多孔碳材料的比表面积和超级电容性能。电容贡献分析表明,KNC-800的双电层电容值和赝电容值均高于KC-800。KNC-800在电流密度为0.5 A·g^-1时经过10 000次循环后仍能保持98.3%的初始比电容,表现出优异的循环性能。     

Electrochemical studies of few-layered graphene as an anode material for Li ion batteries

Few-layered graphene (FLG) with specific surface area of only ~8.2 m² g^?1 was synthesized from graphene oxide (GO) using microwave-assisted exfoliation. GO was prepared using modified Hummers method. Few-layered nature of the exfoliated material was confirmed by electron microscopy, X-ray and electron diffraction, and Raman spectroscopy. Coin cells were fabricated using FLG as an anode and lithium metal as a counter electrode. The cells were tested using cyclic voltammetry and galvanostatic cycling techniques. FLG showed reversible capacity values of ~400 and ~250 mAh g^?1 at current rates of 0.1 and 1 C, respectively. Columbic efficiency was more than 98 % while cycle to cycle capacity fading was less than 2 %. Maximum discharge or charging capacity was below 0.3 V, a preferable characteristic for achieving ideal anodic behavior.     

氮掺杂石墨烯的制备及其对氧还原反应的电催化性能

以氧化石墨烯（GO）为原料、丙酮肟（DMKO）为还原剂和氮掺杂剂,采用化学还原法制备了不同氮掺杂含量的石墨烯（NG）. 利用场发射透射电子显微镜（FETEM）、紫外-可见（UV-Vis）光谱、傅里叶变换红外（FTIR）光谱、X射线光电子能谱（XPS）、zeta 电位和纳米粒度分析、循环伏安（CV）和旋转圆盘电极（RDE）等手段对材料的形貌、结构、成分和电化学性质进行表征. 结果显示：DMKO能有效地还原GO,且通过调节GO与DMKO的质量比,可以得到不同还原效果的NG,其氮含量范围为4.40%-5.89%（原子分数）;GO与DMKO的质量比为1：0.7时制备的氮掺杂石墨烯（NG-1）在O₂饱和0.1 mol·L^-1 KOH溶液中对氧还原反应（ORR）的电催化性能最佳,其ORR峰电流为0.93 mA·cm^-2,电子转移数为3.6,这归因于其较高含量的吡啶-N增加了材料的ORR活性位点. 此外,石墨化-N由于其较高的电子导电性倾向于产生较高的氧还原峰电流,而吡啶-N较低的超电势倾向于产生较正的氧还原峰电位. 与商用Pt/C相比,该材料展现出了优异的抗CH₃OH“跨界效应”的特性.     

功能化石墨烯/聚苯胺复合电极材料的制备和电化学性能

利用水合肼还原十八胺（ODA）接枝的氧化石墨烯（GO）,得到了十八胺功能化石墨烯（ODA-G）,将ODAG与聚苯胺（PANI）通过溶液共混法,制备了功能化石墨烯和聚苯胺纳米复合材料（ODA-G/PANI）. 采用傅里叶变换红外（FTIR）光谱、X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）、拉曼（Raman）光谱及透射电镜（TEM）,对复合材料的结构和形貌进行了表征;利用循环伏安、恒流充放电及交流阻抗谱等,对复合材料的电化学性能进行了测试. 结果显示,少量ODA-G的引入为PANI 的电化学氧化还原反应提供了更多的电子通道和活性位置,有利于提高PANI 的赝电容. 在电流密度1.0 A·g^-1下,2%（w）ODA-G/PANI 的比电容达到787 F·g^-1,而相应的PANI 仅有426 F·g^-1. 此外,ODA-G/PANI的循环稳定性也远高于纯PANI.     

Influence of borohydride concentration on the synthesized Au/graphene nanocomposites for direct borohydride fuel cell

Au/graphene nanocomposites are prepared via a one-pot chemical reduction process at room temperature, using graphene oxide (GO) and chloroauric acid (HAuCl₄) as precursors. The obtained Au/graphene nanocomposites are characterized with scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy, thermogravimetric analysis (TGA), Raman spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). TEM shows that the Au nanoparticles with size of approximately 8.7 nm disperse randomly on the surface of graphene. XPS confirms that the Au/graphene nanocomposites show a higher atomic percentage of C/O (6.3/1), in contrast to its precursor GO (2.2/1). Electrochemical studies reveal that the Au/graphene nanocomposites have electrochemically active surface area of 9.82 m² g^?1. Besides, the influence of borohydride concentration on the as-prepared Au/graphene nanocomposites is investigated in details by cyclic voltammetry, chronoamperometry, and chronopotentiometry. The results indicate that high concentration of borohydride can significantly improve the electrochemical performance of the Au/graphene catalyst.     

百香果皮基原位氮掺杂多孔碳/硫复合正极的制备及储锂性能

以生物质百香果皮为碳源,KHCO₃为活化剂,采用同步活化碳化方法制备原位氮掺杂的分级多孔碳材料,将其与单质硫复合制得多孔碳/硫正极材料。通过X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等表征技术对制备材料的物相组成、微观形貌、比表面积及孔结构进行研究分析。同时,利用紫外可见吸收光谱研究了多孔碳对多硫化物的吸附作用,用恒电流充放电测试了不同硫含量（60%~80%）的多孔碳/硫复合正极材料的电化学性能。结果表明,制得的多孔碳材料为无定型,具有1 093 m²·g^-1的高比表面积和0.63 cm³·g^-1的孔容;丰富的多孔结构和原位氮掺杂对多硫化物的物理化学协同吸附作用,有效降低了锂硫电池的“穿梭效应”,提高了电池的放电比容量和循环性能。硫含量为60%的多孔碳/硫复合材料,在0.05C和0.2C倍率下可释放1 057.7和763.4 mAh·g^-1的高初始放电比容量,在1C的高倍率下循环300次后的保持率为75%。     

Facile Mechanochemical Synthesis of Nano SnO2/Graphene Composite from Coarse Metallic Sn and Graphite Oxide: An Outstanding Anode Material for Lithium‐Ion Batteries

A facile method for the large‐scale synthesis of SnO₂ nanocrystal/graphene composites by using coarse metallic Sn particles and cheap graphite oxide (GO) as raw materials is demonstrated. This method uses simple ball milling to realize a mechanochemical reaction between Sn particles and GO. After the reaction, the initial coarse Sn particles with sizes of 3–30 μm are converted to SnO₂ nanocrystals (approximately 4 nm) while GO is reduced to graphene. Composite with different grinding times (1 h 20 min, 2 h 20 min or 8 h 20 min, abbreviated to 1, 2 or 8 h below) and raw material ratios (Sn:GO, 1:2, 1:1, 2:1, w/w) are investigated by X‐ray diffraction, X‐ray photoelectron spectroscopy, field‐emission scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. The as‐prepared SnO₂/graphene composite with a grinding time of 8 h and raw material ratio of 1:1 forms micrometer‐sized architected chips composed of composite sheets, and demonstrates a high tap density of 1.53 g cm^?3. By using such composites as anode material for LIBs, a high specific capacity of 891 mA h g^?1 is achieved even after 50 cycles at 100 mA g^?1.     

石墨烯-聚吡咯纳米管杂化材料的制备及电容特性

使用化学连接的方法制备一种石墨烯-聚吡咯纳米管杂化材料。使用扫描电镜、透射电镜、傅里叶变换红外光谱仪、光电子能谱仪以及电化学工作站对产物的形貌、结构以及电容特性进行表征。结果表明,在杂化材料中石墨烯和聚吡咯纳米管分散均匀,在石墨烯与聚吡咯纳米管之间通过酰胺基团形成了共价键连接。此杂化材料在0.3 A.g-1电流密度下的比电容为1 368F.g-1,在1.5 A.g-1电流密度下的比电容为759 F.g-1,在1 000次循环伏安循环后的剩余比电容值为初始比电容值的85.5%,显示出良好的电容特性。     

静电自组装方法合成的具有多孔三维网络结构的Fe3O4/石墨烯复合材料作为高性能锂离子电池负极材料

采用静电自组装方法,分两步合成Fe（OH）₃/GO前驱体（GO：氧化石墨烯）,再通过水热反应和600 ℃高纯氮气气氛下煅烧,获得了Fe₃O₄/石墨烯复合材料. 通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）、拉曼（Raman）光谱等多种分析,发现该复合材料具有三维多孔石墨烯网络结构. 把合成的这种Fe₃O₄/石墨烯复合材料作为锂离子电池负极材料,电化学测试结果表明其具有优良的电化学性能：首次放电容量为1390 mAh·g^-1,50次循环后容量为819 mAh·g^-1. 通过对比实验表明,三维石墨烯网络结构的形成对复合材料的电化学循环稳定性起着关键作用.