基于模板法构筑三维石墨烯复合材料及其电化学储锂性能的研究

• 作 者: 张慧珍
• 出 处: 青岛大学
• 发表日期: 2020年03期
• 关键词: 三聚氰胺海绵 模板法 三维石墨烯 氮掺杂 氧化锌

三维石墨烯结构具有比表面积大,密度低,机械强度高,导电性好等优点,受到了研究人员的广泛关注。商业化三聚氰胺海绵价格低廉,微观网络结构丰富,氮含量高,因此,本论文采用几种不同的策略,以三聚氰胺为模板,对石墨烯进行组装构建了三维石墨烯及三维石墨烯基复合材料,并将这些材料应用到锂离子电池和锂硫电池中,获得了优异的电化学性能。1.以三聚氰胺海绵和氧化石墨烯为原料,采用浸渍-冻干和热处理相结合的方法制备三维氮掺杂碳管@石墨烯复合材料。三聚氰胺海绵作为碳模板和氮源,氧化石墨烯通过组装包覆在其表面,经过一步热解过程生成氮掺杂的碳管。三维连通的管状网络结构为离子和电子的传输提供更短的路径,氮掺杂碳管与石墨烯的紧密复合提高了导电性。碳管的氮掺杂提供了更多的活性位点,增加了材料的储锂容量。用作锂离子电池负极,在0.2 A g^-1的电流密度下,首次放电比容量达到1204.6 mAh g^-1,经过300次循环后仍具有可逆放电比容量526.9 mAh g^-1。2.以金属锌为锌源,以三聚氰胺海绵@氧化石墨烯复合物作为反应前驱体,通过一步化学气相沉积法制备得到三维氮掺杂石墨烯微米带（NGMB）@ZnO复合材料。高温下气相锌原子夺取氧化石墨烯中的氧原子并在其表面生成超小ZnO纳米颗粒,实现ZnO和石墨烯的紧密结合,提高ZnO的稳定性。三维结构氮掺杂石墨烯还可以抑制ZnO体积膨胀,并提高ZnO导电性。NGMB@ZnO具有优异的电化学储锂性能,在0.2 A g^-1的电流密度下,首次放电比容量为986.6 mAh g^-1,经过250次循环后可逆放电比容量可达到728.4 mAh g^-1。3.采用水热法和热解法相结合的方法,以三聚氰胺海绵为模板,制备了三维氮掺杂石墨烯海绵。通过与单质硫复合,制备了氮掺杂石墨烯海绵@硫复合材料。用作锂硫电池正极材料,具有优异的循环性能和倍率性能,在0.1 C电流密度下,首次放电比容量为1023.4 mAh g^-1,库仑效率约为99.7%,循环100圈后,仍能保持有549.8 mAh g^-1可逆放电比容量,当倍率性能测试的电流达到2 C时,仍具有495.5mAh g^-1的放电比容量。三维石墨烯网络结构为硫提供了足够的体积膨胀空间,氮掺杂石墨烯使材料具有优异的导电性,同时增强了对多硫化物的捕捉能力,这些都有利于提高复合材料的电化学性能。