通過催化合成和化學活化制備的3D石墨烯及其在超級電容器中的化學儲能

鋼鐵俠 4年前 (2019-12-20) 5833瀏覽

摘要

活化的三維石墨烯(3D-AGE)粉末具有較高的比表面積采用催化生長和化學活化相結合的方法成功地制備了該催化劑在超級電容器。用掃描法對其形貌、結構和組成進行了研究電子顯微鏡(SEM)，透射電鏡(TEM)，x射線衍射(XRD)，氮氣吸附-解吸和x射線光電子能譜(XPS)。電化學性能為通過循環伏安法(CV)、恒電流充放電(GDC)和電化學進行評價阻抗(EIS)。結果表明，該材料具有很高的比電容和穩定性，作為超級電容器的電極材料在1mol/LKOH水電解質。這是發現電流密度為1Ag-1，3D-AGE的比熱容為258.2Fg-1，這比原始的三維石墨烯(87.8Fg-1)要高得多。還發現，在2000次充電放電周期后，特定電容從285.2Fg-1增加到345.3Fg-1，最令人印象深刻的是，增加率達到21%。3D-AGE具有優異的電化學性能，其獨特的三維納米結構具有高的表面積，豐富的氧官能團，以及快速離子和電子傳遞速率。本工作為電化學儲能的生長和化學活化超級電容器得構建開辟了新的窗口。

前言

超級電容器作為一種新型的儲能器件，已經得到了廣泛的應用，由于它們的優點而引起了廣泛的關注。其中包括周期壽命長，功率密度高，工作溫度范圍寬，應用領域廣。根據電荷存儲機制，超級電容器可以分類為i)法拉第偽超級電容器(PCs)和ii)雙電層狀超級電容器(EDLCs)。法拉第pseudo-capacitance(PCs)是指可逆化學吸附的發生還是電極材料二維空間的氧化還原過程，導致超級電容的額外電容。電雙電層電容是指雙電層的形成在電解液中覆蓋正極和負極材料，實現了電化學儲能的目的。然而,超級電容器的能量密度相對較低具有鋰離子電池等二次電池。因此, 開發高能量密度超級電容器已成為電化學/電催化領域一項重要課題，電極材料在其應用中起著至關重要的作用。

圖文解析

石墨烯片容易產生不可逆由于范德華(分子間)力的疊加，因此石墨烯的實際特定電容很多低于理論值，重點研究通過石墨烯的結構修飾和優化來提高石墨烯電極的比電容材料。2D石墨烯到3D的幾何變換石墨烯不僅提高了其導電性，而且改善了其電導率用于增加比表面積和促進多孔性3D交聯結構。制備工藝簡單，純度高產品非常高，但制備的“3D石墨烯泡沫”(見圖1(C))存在孔隙率大、強度弱的缺點機械性能和容重低，這極大地限制了其性能應用于高能量密度超級電容器。因此,制備高容重“三維石墨烯粉末”的簡單高效技術的發展尤為重要。

低倍放大圖像可以看出可以觀察到，Ni3S2@3D-GE樣品呈現出三維多孔性網絡結構。高倍放大后的圖像表明，納米級Ni3S2納米粒子數量眾多(含a)3D石墨烯(3DGE)表面直徑50e100nm。由此可以推斷，這些Ni3S2納米顆粒在3D-GE的形成過程中發揮了重要的作用(Ni3S2為3D)模板和石墨化催化劑(同時)。后鹽酸處理后，3D-GE樣品顯示較多明顯的3D片狀納米結構，沒有額外的金屬納米顆粒。特別是，它可以從3D-GE納米片的高倍放大圖像纏繞在邊緣結構上，其厚度小于10 nm。特別是，它可以從3D-GE納米片的高倍放大圖像纏繞在邊緣結構上，其厚度小于10 nm。此外，與3D-GE相比，3D-AGE擁有更多的展開納米片，這可能歸因于兩者的結合化學活化和二次加熱過程的作用。總體而言，3D活性石墨烯產品已經獲得成功通過催化生長和兩步化學活化制備路線。

掃描電鏡分析

不同放大倍數下的三維樣品TEM圖像

N2 adsorption-desorption分析

? XPS分析以獲得更多關于進一步執行3D-AGE的化學成份，XPS分析并得出結果所示。三維年齡的XPS譜(調查掃描)樣品呈現了c1s、o1s、s2p和Ni的特征光譜2p，其中C、O、S、Ni元素的原子比分別為91.59%、7.76%、0.41%和0.24%。這些C、O、S元素來源于硫脲樹脂熱解過程中的碳、氧和含硫氣體。Ni含量僅為0.24%，可以確定為Ni元素經鹽酸治療后已基本清除。O的含量上升了到7.76%，這說明3d年齡的樣本量很大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豐富的含氧官能團。從可以看出，在531eV處是C=O，在531eV處是C-OH533eV和536eV的-COOH，進一步證實了三維樣品中含氧官能團的存在。以前的研究表明這些含氧物質官能團不僅提高了石墨烯的親水性，從而提高了電解質中離子的流動性，還提供了法拉第偽電容，增加了石墨烯的比電容。

XPS分析

循環伏安法(CV)和充放電(CDC)分析

結論

活化的3-D石墨烯粉末材料已經得到了應用通過金屬硫化物催化生長和KOH化學合成電化學儲能的活化在超級電容器。由于其優秀的3D網絡架構，大的表面積(1687.8m2g-1)和高水平的O雜原子摻雜(7.76%)，得到3-D活化石墨烯樣品表現出高的比電容(285.2Fg-1~1Ag-1),優異的電化學穩定性(隨著2000年后的21%)。有人建議本課題的研究為今后的研究提供了一條可行的途徑高性能活化三維石墨烯粉末材料電化學儲能的潛在工業應用。

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

本文由李澤勝課題組供稿。

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