《具有生物質孔道形態三維石墨烯網路的製備及儲能套用》是依託西安交通大學，由陳元振擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：具有生物質孔道形態三維石墨烯網路的製備及儲能套用
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：陳元振
- 依託單位：西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
提高能量密度是超級電容器研究的重要目標。現有研究表明基體較小的有效生長面積嚴重影響了活性材料的載量，能量密度普遍不高。結合自然界中生物質的微米級孔道結構與成熟的石墨烯製備技術，本項目預以生物質碳塊體為模板，通過鎳鹽浸漬-燒結-還原法複製其結構製備鎳骨架。採用CVD法在其表面上沉積碳層，然後通過酸蝕的方法除掉鎳骨架，最終製得具有大比表面積和彈性的三維生物質孔道形態石墨烯網路。研究影響鎳骨架尺寸及結構連續性的主要因素，揭示石墨烯在微米級鎳骨架上的生長機制，建立三維生物質基石墨烯骨架網路最佳化製備的方法論。以它為基體生長活性材料並測試複合電極的電化學性能，研究三維石墨烯骨架網路對活性材料生長、載量及電容性能的影響規律，為高能量密度複合電極的製備提供理論指導。另外，因為自然界中的生物質結構非常豐富，本項目研究將拓寬石墨烯結構的多樣性，為石墨烯新結構的研究及套用提供實驗依據和理論指導。
結題摘要
提高能量密度是超級電容器研究的重要目標。現有研究表明基體較小的有效生長面積嚴重影響了活性材料的載量，能量密度普遍不高。本項目以生物質碳塊體為模板，通過電鍍鎳-燒結-還原法成功複製其結構製備鎳骨架。採用CVD法在其表面上沉積碳層，然後通過酸蝕的方法除掉鎳骨架，最終成功製得了具有大比表面積的三維生物質孔道形態石墨烯網路。研究得到以下結果：（1）生物質木頭在碳化過程中有70%的體積收縮，因此需要嚴格控制碳化時的升溫速度；（2）在木碳上電鍍鎳時，鍍液潤濕性和電流密度對鎳沉積均勻性具有決定作用，本項目最佳化的電鍍液為乙醇和水的共混電鍍液，電流密度為30mA/cm2；（3）製備出的Ni/C複合物需要經過低的升溫速度（2℃/min）和高溫（650℃）除碳方可獲得結構完整的NiO微米管；（4）將NiO微米管網路經過還原後在高溫1050℃下通入甲烷，可以製備出結構完整性好的三維石墨烯網路。為了驗證本項目石墨烯製備方法的普適性，本團隊以碳紙為模板，同樣成功複製出具有碳紙形貌的三維石墨烯微米管網路結構。在超級電容器電極研究方面，研究發現碳化木碳（CCN）上活性材料(Ni,Co)(OH)2的有效負載量可以達到33mg/cm3，遠大於泡沫鎳和碳紙上的負載量。經過石墨化後的木碳（GCCN）中由於生長出了豐富的微米級石墨棒，空間利用率大幅提高，活性材料負載量提高到75 mg/cm3。電容測試結果顯示後者具有更高的比容量（2100 F/g），倍率性能和循環性能，這歸因於石墨化木碳的高導電性。另外，本項目研製的三維石墨烯網路負載(Ni,Co)(OH)2活性材料後，最高比電容可以達到5685 mF/cm2，而且其阻抗遠遠小於(Ni,Co)(OH)2/GCCN。這說明三維石墨烯網路具有更加優異的導電性能；同時，由於生長基體密度降低了，有效地提高了電極整體的能量密度。另外，在超級電容器活性材料方面也做了研究，目的是尋求優異電容性能的活性材料與三維石墨烯網路複合，研究結果發現硼酸鹽可以有效提高(Ni,Co)(OH)2的結構穩定性，使材料獲得超長循環壽命。這為高能量密度型電極的製備提供很好的改性策略和方向。
