三维石墨烯/二氧化锰电极材料的设计、制备及其储能性能研究

石墨烯是一种新型二维碳材料，具有独特的晶体结构特征，使其展现出优异的电学、光学和力学等物理化学性质，在微纳电子器件、高灵敏传感器、透明导电薄膜、储能、催化等领域有着广阔的应用前景。然而，二维的石墨烯在生产和应用中容易出现堆垛重叠的现象，极大的降低了石墨烯表面利用率，从而不能满足许多应用的要求。通过将二维的石墨烯组装成三维石墨烯块体可以有效的避免这一问题，并且能够将石墨烯的纳米尺寸效应扩展到宏观水平。本论文着重研究氮摻杂三维石墨烯及三维石墨烯/二氧化锰气凝胶材料的制备，对其在超级电容器、锂氧电池、Li-MnO2电池等方面的性能进行测试，并对其储能机理进行初步探讨，全文所得结论如下： 1. 氮摻杂三维石墨烯气凝胶可控合成的研究。本体系主要利用水热法制备石墨烯气凝胶，使用乙二胺作为联结剂和氮源，实现三维结构的成型和氮原子的同步摻杂。同时，将所得的气凝胶进行超级电容器性能的测试。结果表明，氮掺杂的三维石墨烯在2M 1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐/乙腈(EMIMBF4/AN)电解液中表现出高的电位窗口(-1.3～1.2 V)，电流密度为1 A/g时，比容量为150 F/g，具有良好的电化学响应。结果表明氮摻杂三维石墨烯具有贯穿的导电网络和丰富的多孔结构，能够为电解液离子提供快速扩散的通道，进而提高电化学储能性能。 2. 基于氮摻杂的三维石墨烯气凝胶，通过水浴沉积的方法来制备三维石墨烯/二氧化锰复合材料，由于所制备的石墨烯气凝胶具有发达的网络结构和高的比表面积，为MnO2的成核生长提供了大量骨架，进而提高MnO2材料的利用率。同时，丰富的孔道能够使电解液快速地达到 MnO2表面，实现电解液离子和电子的快速扩散和转移。此外，制备的 MnO2为d-MnO2，具有层状结构和大的层间距，有利于电解液离子的嵌入和脱嵌，展现高的比容量。为了拓展三维石墨烯/二氧化锰复合材料的应用，本章不仅考察了其在超级电容器方面的性能，同时研究了其在锂氧电池和Li-MnO2电池方面的性能。研究表明，三维石墨烯/二氧化锰不对称电容器在2M EMIMBF4/AN电解液中表现出很高的电位窗口(0～3.5 V)和能量密度(68.4 Wh/kg)。 此外，作为锂氧电池和Li-MnO2电池的阴极材料，三维石墨烯/二氧化锰表现出良好的催化性能和高的可逆容量(循环50次后容量为 160 mAh/g)。该结果表明两组分的协同作用使得该复合材料实现了能量的高效，快速和稳定的存储。