细菌插层的氮掺杂多孔石墨烯基复合材料的设计、合成及电容机理研究

Graphene composite material has a broad application prospect in the field of energy storage. To solve the environmental pollution and energy shortage problems, developing novel graphene composite electrode materials has important scientific significance and practical values. In this project, the effective ways to solve this problem are choosing bacteria as inserted intercalation compound, and graphene oxide as the precursor to optimize graphene structure and property. The composite material based on N-doped porous graphene inserted by bacteria will be prepared. To explore the interaction mechanism between bacteria and graphene layer, we will study on relationship between nitrogen content, nitrogen forms, chemical properties of N-doped graphene and capacitance performance. Via defects on N-doped graphene in coordination of metal ions or anchoring effect, the Ni, Co, etc metal oxide nanoparticles will be introduced to the graphene surface. We will focus on how the reaction routes and conditions produce an effect on the metal oxide structure, loading mass and crystallization. The mechanism and effect of N-doped porous graphene composties with different metal oxides on capacitance, energy density, rate performace, cycling stability of the electrodes will be analyzed. This project not only can provide a new method for fabricating high-performance graphene composite material, but also can promote integration of cross-curricular interests including chemistry, materials, biology, energy and other subjects, with important academic meaning.

石墨烯基复合材料在储能领域具有广阔的应用前景，设计开发新型石墨烯基复合电极材料对解决环境污染和能源短缺具有重要的科学意义和实用价值。本项目提出细菌作为插层物，以氧化石墨烯为前驱体，对石墨烯进行结构优化与掺杂改性，构建细菌插层的氮掺杂多孔石墨烯结构。探索细菌插层物与石墨烯片层的作用机理，研究氮掺杂石墨烯的氮含量、氮形态与材料的化学性质和电容性能之间的关系。利用氮掺杂石墨烯上的缺陷位对金属离子的配位或锚定作用，负载Ni、Co等金属氧化物纳米粒子。考察反应路线、条件对金属氧化物结构、负载量、晶化程度的影响，深入研究氮掺杂多孔石墨烯与不同金属氧化物复合材料的结构和组分对电极容量、能量密度、倍率性能及循环稳定性的影响规律及作用机理。本项目不仅为构建高性能石墨烯基复合材料提供新思路，也可促进化学、材料、生物、能源等学科的交叉融合，有着重要的学术意义。

石墨烯基复合材料兼具石墨烯材料的优异性质和复合材料的协同作用优势，具有较高的比表面积，较快的电子传输速率及显著的结构稳定性、柔韧性等特性，它们在高效电化学储能领域具有优异的电化学性能和研究前景。然而，相比于其他常规材料，石墨烯层间具有较强的范德华力，尤其化学法制备的石墨烯表面含有较多的官能团，导致其合成时极易团聚，同时合成条件苛刻，造成它们突出的电化学性能难以发挥。本项目执行期间，发展了以细菌作为插层物的新型氮掺杂多孔石墨烯基复合物来解决石墨烯层间团聚问题的策略，调控了石墨烯的比表面积，提出了电化学技术剥离石墨烯的新方法。构建出三维石墨烯多级结构，将氧化钨-聚苯胺、氧化锰、钴镍双金属氢氧化物、氧化钼-聚吡咯通过电化学沉积法原位沉积在剥离后的石墨烯表面、孔洞及层间，制备出一系列多孔石墨烯-过渡金属氧化物的复合材料。另外，通过以咪唑沸石结构作为骨架，水热法制备了钴基纳米多孔氮掺杂碳纳米材料。通过控制反应条件，联合XRD、SEM、EDX、TEM、XPS、BET、FT-IR等表征手段，研究了剥离石墨烯的结构形貌特点及金属氧化物在石墨烯上的沉积机制。如通过调节沉积液中络合剂硫酸铵的浓度，优化二氧化锰的形貌及其水合组分（H-O-H和Mn-O-H）的含量，进而增强电解液离子在氧化物中的迁移速率。采用电化学测试技术，如循环伏安法、恒电流充放电法、交流阻抗等技术，研究复合物的电容性能，包括比容量、倍率性能、循环稳定性、能量密度及电子/电荷转移过程。研究了石墨烯载体和金属氧化物之间的协同作用机制，揭示了复合电极材料的结构形态与电化学性能之间的内在联系，实现构建了兼具高能量密度、高功率密度及高稳定性的超电容器件。利用电化学石墨烯剥离技术，扩展了制备多孔石墨烯复合材料的新方法，为超级电容器高性能电极材料的实际应用奠定了理论基础。