石墨烯量子点基复合电极材料的设计、制备及其超电容特性研究

The aim of the project is to focus on the international frontier hot material graphene quantum dots. Chemical oxidation method is utilized to efficiently prepare graphene quantum dots, and the relationships between the influencing factors (such as carbon source, size, specific surface area, surface functional groups, heteroatom doping, etc.) and the electrochemical behaviors of graphene quantum dots are systematically investigated, which can determine the key factors in the enhancement and limitation of the capacitive performances of the graphene quantum dots. On this basis, in order to further enhance the energy density of the supercapacitor, we design and synthesize new and high-performance doped graphene quantum dot/NiCo2S4 composite cathode materials and doped graphene quantum dot/reduced graphene oxide composite anode materials, and further effectively regulate their structure and composition, explore the relationship between the microstructures and the properties such as capacitance, rate and cycling stability, and reveal the mechanism of the effect of the modification of graphene quantum dots and heteroatom doping on the properties of the composite materials. The obtained positive and negative materials with the optimal properties are assembled into asymmetric supercapacitor with high energy density, high power density and excellent cycling stability. This project will broaden the application of graphene quantum dots and their composite materials in the field of supercapacitor and other energy storage systems.

本项目围绕国际前沿热点材料石墨烯量子点展开研究，采用化学氧化法可控和高效制备石墨烯量子点，系统研究石墨烯量子点的影响因素（如碳源、尺寸大小、比表面积、表面官能团、电导率、杂原子掺杂等）与其电化学行为的关系，确定提高和限制其电容性能的关键因素。在此基础上，针对当前超级电容器能量密度较低的问题，利用石墨烯量子点修饰并结合杂原子掺杂改性技术设计合成新型高性能掺杂石墨烯量子点/NiCo2S4复合正极材料和掺杂石墨烯量子点/还原氧化石墨烯复合负极材料，并对材料结构和组成进行有效调控，重点研究复合正极材料的微结构与其电容、倍率和循环性能的内在关联性，揭示石墨烯量子点修饰及其杂原子掺杂改性增强复合材料电容性能的协同作用机制。将上述优化所得正负极材料进一步组装构建能量密度大、功率密度高和循环稳定性好的不对称超级电容器。本项目的研究将拓宽石墨烯量子点及其复合材料在超级电容器和其它能量存储系统领域的应用。

本课题主要围绕国际前沿热点材料碳量子点为研究对象，系统深入开展碳量子点及其复合材料在储能领域的基础和应用研究，取得一些创新性的成果：（1）通过选用不同的工业级的碳源作为前驱体，采用改进的化学氧化法回流合成路径实现了可规模化生产、尺寸可控、低成本和高产率的石墨化碳量子点的制备工艺技术，其最高产率可达51%；（2）以上述所得石墨化碳量子点作为插层剂和导电剂，采用水热法合成了新型三维多级孔结构的氮磷共掺杂石墨化碳量子点/还原氧化石墨烯气凝胶复合材料，该材料实现了增强的比容量（1 A g-1下的比容量可达453.7 F g-1）、优异的倍率性能（50 A g-1下的容量保持率为69.5%）和突出的循环稳定性（10 A g-1下10000次循环后的容量保持率为93.5%），并阐明了杂原子共掺杂改性及石墨化碳量子点修饰协同提升三维石墨烯气凝胶电容性能的作用机制；（3）以上述所得石墨化碳量子点作为插层剂和导电剂，采用水热法制备了新型氮硫共掺杂石墨化碳量子点/还原氧化石墨烯复合气凝胶材料，该复合材料获得了优异的电容性能，在1 A g-1下的比容量可达366.9 F g-1，100 A g-1下的容量保持率为45.8%，5 A g-1下5000次循环后的容量保持率为90.4%；（4）以上述所得石墨化碳量子点作为结构导向剂和导电剂，采用水热法制备得到氮硫共掺杂石墨化碳量子点修饰的纳米杆组装的NiCo2S4 微米球复合材料，获得了增强的电化学性能，并进一步以其组装为水系混合能量储存器件，实现了高的能量密度（50.2 Wh kg-1）和功率密度（9.7 kW kg-1）以及长的循环寿命。该项目的实施能够丰富新型石墨化碳量子点及其复合材料体系的基础理论和实验数据，可为构建高性能的能量存储系统提供新的研究思路和可借鉴的方法。