通过催化合成和化学活化制备的3D石墨烯及其在超级电容器中的化学储能

钢铁侠 5年前 (2019-12-20) 6663浏览

摘要

活化的三维石墨烯(3D-AGE)粉末具有较高的比表面积采用催化生长和化学活化相结合的方法成功地制备了该催化剂在超级电容器。用扫描法对其形貌、结构和组成进行了研究电子显微镜(SEM)，透射电镜(TEM)，x射线衍射(XRD)，氮气吸附-解吸和x射线光电子能谱(XPS)。电化学性能为通过循环伏安法(CV)、恒电流充放电(GDC)和电化学进行评价阻抗(EIS)。结果表明，该材料具有很高的比电容和稳定性，作为超级电容器的电极材料在1mol/LKOH水电解质。这是发现电流密度为1Ag-1，3D-AGE的比热容为258.2Fg-1，这比原始的三维石墨烯(87.8Fg-1)要高得多。还发现，在2000次充电放电周期后，特定电容从285.2Fg-1增加到345.3Fg-1，最令人印象深刻的是，增加率达到21%。3D-AGE具有优异的电化学性能，其独特的三维纳米结构具有高的表面积，丰富的氧官能团，以及快速离子和电子传递速率。本工作为电化学储能的生长和化学活化超级电容器得构建开辟了新的窗口。

前言

超级电容器作为一种新型的储能器件，已经得到了广泛的应用，由于它们的优点而引起了广泛的关注。其中包括周期寿命长，功率密度高，工作温度范围宽，应用领域广。根据电荷存储机制，超级电容器可以分类为i)法拉第伪超级电容器(PCs)和ii)双电层状超级电容器(EDLCs)。法拉第pseudo-capacitance(PCs)是指可逆化学吸附的发生还是电极材料二维空间的氧化还原过程，导致超级电容的额外电容。电双电层电容是指双电层的形成在电解液中覆盖正极和负极材料，实现了电化学储能的目的。然而,超级电容器的能量密度相对较低具有锂离子电池等二次电池。因此, 开发高能量密度超级电容器已成为电化学/电催化领域一项重要课题，电极材料在其应用中起着至关重要的作用。

图文解析

石墨烯片容易产生不可逆由于范德华(分子间)力的叠加，因此石墨烯的实际特定电容很多低于理论值，重点研究通过石墨烯的结构修饰和优化来提高石墨烯电极的比电容材料。2D石墨烯到3D的几何变换石墨烯不仅提高了其导电性，而且改善了其电导率用于增加比表面积和促进多孔性3D交联结构。制备工艺简单，纯度高产品非常高，但制备的“3D石墨烯泡沫”(见图1(C))存在孔隙率大、强度弱的缺点机械性能和容重低，这极大地限制了其性能应用于高能量密度超级电容器。因此,制备高容重“三维石墨烯粉末”的简单高效技术的发展尤为重要。

低倍放大图像可以看出可以观察到，Ni3S2@3D-GE样品呈现出三维多孔性网络结构。高倍放大后的图像表明，纳米级Ni3S2纳米粒子数量众多(含a)3D石墨烯(3DGE)表面直径50e100nm。由此可以推断，这些Ni3S2纳米颗粒在3D-GE的形成过程中发挥了重要的作用(Ni3S2为3D)模板和石墨化催化剂(同时)。后盐酸处理后，3D-GE样品显示较多明显的3D片状纳米结构，没有额外的金属纳米颗粒。特别是，它可以从3D-GE纳米片的高倍放大图像缠绕在边缘结构上，其厚度小于10 nm。特别是，它可以从3D-GE纳米片的高倍放大图像缠绕在边缘结构上，其厚度小于10 nm。此外，与3D-GE相比，3D-AGE拥有更多的展开纳米片，这可能归因于两者的结合化学活化和二次加热过程的作用。总体而言，3D活性石墨烯产品已经获得成功通过催化生长和两步化学活化制备路线。

扫描电镜分析

不同放大倍数下的三维样品TEM图像

N2 adsorption-desorption分析

  XPS分析以获得更多关于进一步执行3D-AGE的化学成份，XPS分析并得出结果所示。三维年龄的XPS谱(调查扫描)样品呈现了c1s、o1s、s2p和Ni的特征光谱2p，其中C、O、S、Ni元素的原子比分别为91.59%、7.76%、0.41%和0.24%。这些C、O、S元素来源于硫脲树脂热解过程中的碳、氧和含硫气体。Ni含量仅为0.24%，可以确定为Ni元素经盐酸治疗后已基本清除。O的含量上升了到7.76%，这说明3d年龄的样本量很大oxygen-doped碳材料。如所示-COOH在290eV,C=O在287eV,C-OH在285eV,C-C在284.5eV，表明石墨烯表面形成了丰富的含氧官能团。从可以看出，在531eV处是C=O，在531eV处是C-OH533eV和536eV的-COOH，进一步证实了三维样品中含氧官能团的存在。以前的研究表明这些含氧物质官能团不仅提高了石墨烯的亲水性，从而提高了电解质中离子的流动性，还提供了法拉第伪电容，增加了石墨烯的比电容。

XPS分析

循环伏安法(CV)和充放电(CDC)分析

结论

活化的3-D石墨烯粉末材料已经得到了应用通过金属硫化物催化生长和KOH化学合成电化学储能的活化在超级电容器。由于其优秀的3D网络架构，大的表面积(1687.8m2g-1)和高水平的O杂原子掺杂(7.76%)，得到3-D活化石墨烯样品表现出高的比电容(285.2Fg-1~1Ag-1),优异的电化学稳定性(随着2000年后的21%)。有人建议本课题的研究为今后的研究提供了一条可行的途径高性能活化三维石墨烯粉末材料电化学储能的潜在工业应用。

论文地址：https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.134878

本文由李泽胜课题组供稿。

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