可用于超级电容器的非金属掺杂石墨烯微球的可控制备及其形成机制

The graphene materials with specific structure and the preparation method are the key point to promote its application for supercapacitors as the electrode materials. Whereas, the formation mechanism of the graphene materials with specific structure is the urgent problem to be solved. The project intents to controllably prepare the non-metal doped graphene microspheres with micro-nano structure by spray drying and solid phase in situ reduction technology. The composition, structure, surface morphology of the graphene microsphere are characterized by TEM, SEM, XPS, Raman spectroscopy, infrared spectroscopy and conductivity testing. The solid phase in situ reduction process of the graphene sheets is investigated, and the self-assemble mechanism of the graphene microspheres with micro-nano structure is revealed. Furthermore, the effect of the structure, surface properties on the energy storage performance of the double electric layer is investigated, and the interface electrochemical reaction mechanism of the graphene materials is deeply studied. It laid the theoretical basis for applying such micro-nano graphene microspheres in the supercapacitors.The innovation of this project is that the non-metal doped graphene powder materials with specific structures can be controllably prepared, and its formation mechanism and the application process for supercapacitors are investigated.

具有特定结构和功能的石墨烯材料是推动其在超级电容器中应用的关键，而其可控制备及形成机制是目前亟待解决的科学问题。本项目拟通过喷雾干燥和固相原位还原技术可控制备具有微纳结构的非金属掺杂石墨烯微球，采用TEM、SEM、XPS、拉曼光谱、红外光谱、电导率测试等手段对石墨烯微球的组成、结构、表面形貌进行表征；研究石墨烯在限域条件下固相原位还原成石墨烯片及其进一步自组装成具有微纳结构的石墨烯微球的形成机制；通过充放电测试、阻抗、循环伏安等方法研究石墨烯材料的结构、表面性质与其双电层储能性能之间的关系，深入探讨其界面电化学反应机制，从而为这类具有微纳结构的石墨烯微球材料在超级电容器中的应用奠定基础。本项目的创新点在于能够可控制备具有特定结构的非金属掺杂石墨烯微球粉体材料，并着重研究其形成机制。

具有特定结构和功能的碳基材料是其在新能源存贮与转化中应用的关键，而其可控制备及形成机制是其前提条件。我们通过多种方法制备了多种微纳米结构的碳基及其复合材料，这些材料作为电池、超级电容器电极材料以及电催化材料表现出了优异的电化学活性。具体创新结果如下：1、氮掺杂多孔纤维状碳结构材料：该材料具有高的比表面积，电导率以及氮含量，其表现出的电催化氧还原的活性的起始电位和极限电流, 与商业Pt/C相当，并且具备良好的抗CO中毒性能。2、纳米颗粒支持的中空石墨烯层状纳米结构材料：通过改变支撑石墨烯片层间颗粒的大小，获得了不同结构尺寸的中空石墨烯层状结构材料，复合以SnO2纳米粒子，从而研究了结构尺寸限域SnO2纳米粒子的电化学材料的活性。3、大孔容石墨烯纳米结构材料：通过冷冻干燥氧化石墨烯的凝胶，获得了大孔结构的石墨烯材料，然后通过沉积硫和包覆聚苯胺得到了三明治结构的锂硫电池阳极材料，该材料表现出很好的容量性能以及倍率性能。4、氟氮共掺杂碳颗粒结构材料:通过简单的一步氨解BP2000/PTFE膜得到了氟氮共掺碳纳米材料，该材料便显出可比拟商业Pt/C的电催化ORR活性，并构建了其微生物燃料电池，其输出电压以及功率密度都优于商业Pt/C。5、三明治结构的石墨烯复合结构材料。我们通过水热以及热解生物质材料获得了多孔碳石墨烯三明治结构的石墨烯材料，该材料优于独特的结构可广泛的引用于能源存储与转化领域，如：电催化氧还原剂(可比拟商业Pt/C)，超级电容材料以及气体存储材料等。6、金属纳米颗粒掺杂碳结构材料，通过对碳材料简单的负载金属纳米颗粒，通过包覆碳材料，得到了高活性，高稳定性（可比拟商业Pt/C）的电催化氧还原材料。7、多孔的掺杂碳纤维膜材料：我们通过简单的热解电纺PI得到了多孔的掺杂炭纤维膜材料，其表现出优异的ORR/OER电化学活性，并将其用于锌空气电池中，其表现出良好的活性以及稳定性。以上是我们针对碳材料的制备及其在储能与转化领域的一些应用，为这些材料的实际应用以及产业化奠定了坚定的材料和理论基础。