纳米多孔镍催化合成石墨烯基复合材料及其超电容性能

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1、纳米多孔镍催化合成石墨烯基复合材料及其超电容性能CatalyticSynthesisandSupercapacitorPerformanceofGraphene-basedMaterialsUsingNanoporousNickel学科专业：材料学研究生：王丽萍指导教师：李家俊教授天津大学材料科学与工程学院二零一七年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机

2、构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。v_-t:r学位论文作者签名:也向挣签字日期:必'1年/之月。日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)叫文作者签名:如碍导师签名:签字日期:~/7年/

3、乌月6日1签字日期:主'7年何4日摘要随着小型化、便携式电子器件的快速发展，制备高体积能量密度的超级电容器成为关注的重点之一，而具有高导电性、高稳定性的三维（3D）石墨烯和具有丰富的氧化态、高理论比容量的镍钴双金属氢氧化物（NiCo-LDH）因其良好的性能，在超电容储能领域得到了广泛的研究和应用。但是，目前合成的3D石墨烯和NiCo-LDH大多存在孔径过大、导电性差、电极空间利用率低等问题，导致其在微电源领域的应用受限。因此，研究开发具有高活性物质负载量、高空间利用率的自支撑超级电容器电极材料具有重要的意义。本文以脱

4、合金化得到的小孔径纳米多孔镍（NPN）为模板和催化剂，采用化学气相沉积（CVD）法，成功制备出3D纳米多孔石墨烯基复合材料。系统研究了CVD参数、氮、氧掺杂处理、沉积时间等对产物形貌及结构的影响，探讨了影响3D纳米多孔石墨烯、异质结构NiCo-LDH性能的因素，并研究了其电化学性能及作用机理。研究发现，异质原子的掺杂及孔径分布会影响3D石墨烯薄膜的电化学性能。相比于3D大孔石墨烯材料，3D纳米多孔石墨烯材料具有更高的活性物质负载量及比表面积，且在不同性质的电解液中具有更高的电化学稳定窗口。同时，氮原子和氧原子掺杂会使

5、3D纳米多孔石墨烯薄膜在不同电解液中表现出不同的导电性和赝电容特性。高致密度、宽电压窗口及氮氧双掺杂的协同作用使得3D纳2米多孔石墨烯在中性电解液中展现出优异的面积比容量（435mF/cm）和优异的循环性能（5000次循环后容量保持率为99.5%）。通过调控NPN在高温下的纳米孔的团聚进程，采用预煅烧结合CVD方法，获得了氮掺杂石墨烯包覆管道状纳米多孔镍（ntN-NG）结构，具有高亲水性、高比表面积及合适的孔径。将其作为基体，通过水热法沉积NiCo-LDH，获得了具有纳米针/纳米片异质结构的NiCo-LDH紧密结合并

6、几乎填满孔隙的复合材料，有效提高了活性物质负载量和电极材料空间利用率。此复合材料展现出超高的体3积能量密度（867F/cm）和优异的循环稳定性（10000个循环后容量保持率为89.4%）。关键词：纳米多孔镍，三维石墨烯，化学气相沉积，氮氧掺杂，超电容，电化学性能IABSTRACTWiththefast-growingdemandofminiaturizedandportabledevices,tremendouseffortshavebeendevotedtotheresearchofthesupercapacito

7、rwithremarkablelyhighvolumetricenergydensity.Threedimensional(3D)graphenewithexcellentconductivityandstability,andnickelcobaltlayereddoublehydroxides(NiCo-LDHs),withabundantoxidationstatesandhightheoreticalcapacity,exhibitgreatpotentialtoadvancedsupercapacitors

8、toragesystems.However,theapplicationsof3DgrapheneandNiCo-LDHinthemicro-powersystemareusuallylimitedbysomedrawbacks,suchassizablepores,poorconductivityandinferiorutilizationo