《氮摻雜石墨烯薄膜的可控制備及其儲鋰特性研究》是依託蘇州大學，由王海波擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：氮摻雜石墨烯薄膜的可控制備及其儲鋰特性研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：王海波
- 依託單位：蘇州大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
氮摻雜可改善石墨烯的微觀結構，調節其電子傳導特性，並增加石墨烯的電化學反應活性位，從而在儲能領域的研究引起了人們的重視。如何進一步將氮摻雜石墨烯製備成薄膜是實現石墨烯規模化套用的戰略起點。本研究擬將開展靜電層-層自組裝結合熱處理法製備氮摻雜石墨烯薄膜並研究其儲鋰特性。考察自組裝過程中石墨烯聚電解質溶液濃度、pH值、浸漬時間和重複次數及氮化過程中溫度、時間等因素對氮摻雜石墨烯形貌、微觀結構和儲鋰性能的影響，歸納出高性能氮摻雜石墨烯薄膜材料的製備條件-材料結構-電化學性能之間的關係。本研究還將進一步考察氮摻雜石墨烯中氮的摻雜量和摻雜類型與氮摻雜石墨烯儲鋰性能之間的關係，進而最佳化氮摻雜石墨烯薄膜的儲鋰性能。本項目的實施將為氮摻雜石墨烯薄膜材料的可控制備提供實驗依據，並為其在里鋰離子電池等電化學器件中的套用奠定基礎。
結題摘要
石墨烯在鋰離子電池中的套用得到了廣泛的研究。但是石墨烯循壽命短、界面阻抗高、極片加工難度大等因素，限制了其套用進程。氮摻雜不僅可以調節石墨烯的導電性，還改善其微觀結構，增加石墨烯的反應活性位。我們研究了氮摻雜石墨烯的儲鋰性能，在充放電電流密度為84mA/g時，其比容量可達到900 mAh/g，為相同電流密度下純石墨烯電極的1.5倍 ，倍率性能也明顯得到提高。將氮摻雜石墨烯進一步製備成薄膜材料，既便於電極的裁剪和加工，又可以滿足微電子系統對薄膜電池設計的需求，同時還可以根據薄膜材料的特點將其用於各種柔性儲能器件。在本研究工作中，我們選擇了工藝簡單、易於控制和放大的靜電層-層自組裝法。經過我們不斷的嘗試驗證了該種方法的可行性，成功製備了不同厚度的氮摻雜石墨烯薄膜材料。自組裝過程我們採用了兩種方案：（1）用聚乙烯亞胺（PEI）修飾石墨烯的荷正電聚電解質， 用聚苯乙烯磺酸鈉 （PSS）修飾石墨烯獲得荷負電聚電解質。將帶有負電荷的ITO玻璃在兩種聚電解質中交替浸泡，製備薄膜材料；（2）將ITO玻璃清洗後PDDA溶液中浸泡帶上正電荷，然後再浸入PSS修飾氮摻雜石墨烯，此後將ITO玻璃再兩種聚電解質溶液中交替進行，製得不同厚度的氮摻雜石墨烯薄膜材料。對比結果表明，第二種方法製備薄膜材料的可控性好、效率高。對製備的薄膜材料的電化學性能進行了測試結果表明，採用層-層自組裝法製得的薄膜材料具有較好的電化學性能，用於鋰離子電池負極時，其比容量可達到20µAh/cm2。用於超級電容器電極時比電容可達到65µF/cm2，循環500次容量保持超過90%。除了按照項目方案完成工作計畫外，我們還積極探索了氮摻雜石墨烯-碳複合材料的製備及儲鋰性能研究，以及缺陷誘導自組裝氮摻雜石墨烯複合物材料的製備和電化學性能探究。例如，Co3O4在石墨烯表面的負載量可以達到96%，比容量超過960mAh/g；高負載氧化鉍-石墨烯複合材料的比容量可以達到600mAh/g，以上兩種複合材料均表現出優異的循環性和倍率性能。通過三年的努力，我們氮摻雜石墨烯的製備改性的實踐中積累了更多的經驗，在層-層自組裝薄膜材料的製備中也取得相應的進展，為完善石墨烯的研究做出了努力，也為負極材料的實際化套用提供了有價值的參考方法。
