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石墨烯负载锡基材料及钼基材料的制备和储锂性能研究

作　者: 陈鹏
导　师: 王勇
学　校: 上海大学
专　业: 化学工艺
关键词: 锂离子电池石墨烯锡钴合金二硫化锡二氧化钼
分类号: O613.71
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文主要涉及石墨烯与金属合金（SnCo合金）、金属硫化物（SnS₂）、金属氧化物（MoO2）三种材料进行复合，并探索了其电化学性能，同时还研究了石墨烯负载硫化锡材料的可见光催化性能。首先通过改良的Hummer方法，氧化天然石墨得到石墨烯氧化物（GrapheneOxide, GO）。利用热解还原、化学还原、微波辅助、溶剂热等方法分别制备得到石墨烯（graphene nanosheets, GNS）、石墨烯负载锡钴纳米粒子（graphenenanosheets supported SnCo nanoparticles, GNS-SnCo）、还原石墨烯氧化物负载二硫化锡纳米片（reduced graphene oxide supported SnS₂nanosheets, RGO-SnS₂）、石墨烯负载碳包覆二氧化钼纳米粒子（graphene nanosheets supported MoO2@Cnanoparticles, GNS-MoO2@C），并对其形貌、电化学性能进行了表征，同时研究探索其机理。结论如下：（1）以石墨烯氧化物、氯化锡、氯化钴、柠檬酸的水溶液为前驱体，通过硼氢化钠化学还原制备得到石墨烯材料与锡钴材料的复合材料。所得产物形貌为石墨烯片负载粒子形貌，粒子粒径约为8-12nm。将该材料作为锂离子电池负极材料，进行了电化学测试，在小电流0.1C（1C=720mA/g）下，首圈充电比容量高达1117mAh/g，60圈循环后还能保持571mAh/g的比容量，同时在1C大电流下循环也能保持良好的循环稳定性。复合材料电化学性能的提高主要归功于以下几方面：钴元素作为一种非活性元素掺入锡元素中形成锡钴合金，缓解体积膨胀效应；石墨烯层可以防止锡钴合金纳米粒子之间的团聚；锡钴纳米粒子遍布石墨烯层上，可防止石墨烯层的重新堆叠，保持了复合材料的3D结构。正是Sn、Co、C三种元素的协同作用，GNS-SnCo复合材料具有较好的比容量和循环稳定性。同时，本文首次报道了石墨烯和锡钴合金复合材料在锂离子电池负极上的应用。（2）以石墨烯氧化物、氯化锡、硫脲的乙二醇溶液为前驱体，通过微波辅助法制备得到还原石墨烯氧化物负载二硫化锡纳米片复合材料（RGO-SnS₂），并将该复合材料应用到锂离子电池负极材料和可见光催化剂上。在0.1C、1C、5C（1C=660mA/g）电流密度下，该材料的首圈充电比容量分别为1077，934和854mAh/g，在循环40圈后，还能保持在896，657和466mAh/g，具有良好的电化学性能。同时RGO-SnS₂材料作为可见光催化剂经过120分钟使有机污染物罗丹明B达到100%的降解率，经过240分钟使苯酚达到83.2%的降解率，大大高于二硫化锡单体的降解效率。究其原因，主要是因为二硫化锡与石墨烯材料具有良好的协同效应：一方面，通过与石墨烯复合，影响了二硫化锡的晶体生长，得到了比表面积较大的石墨烯片负载二硫化锡纳米片复合材料，同时石墨烯层不仅可以作为一个缓冲层来进一步缓解二硫化锡在充放电过程中体积膨胀问题，还能提高材料的电子传导性；另一方面，负载在石墨烯层间的二硫化锡纳米片可以有效地防止石墨烯层重新团聚堆叠，保持了材料结构的稳定性。本文通过微波加热法制备得到独特的片负载片形貌的石墨烯与二硫化锡的复合材料，同时第一次报道了石墨烯与二硫化锡复合材料的可见光催化性能。（3）以石墨烯氧化物、钼酸铵、硝酸的乙二醇溶液为前驱体，通过溶剂热法制备得到石墨烯负载碳包覆二氧化钼纳米粒子复合材料（GNS-MoO2@C），并测试了其作为锂离子电池负极材料的电化学性能。在75mA/g电流密度下，该材料循环50圈后还能保持625mAh/g的比容量，优于三氧化钼和碳包覆二氧化钼材料。碳包覆和石墨烯复合是两种提高材料电化学性能的有效手段。在该复合材料中，石墨烯、二氧化钼、碳层三种材料形成了良好的协同效应：石墨烯作为缓冲层且能防止二氧化钼粒子的团聚，同时还能提高复合材料的电子传导性能；二氧化钼粒子负载在石墨烯层上能有效地阻止石墨烯层的重新堆叠；二氧化钼表面的碳层可以缓解二氧化钼的体积膨胀效应，提高了电化学稳定性。本文第一报道了石墨烯与碳包覆二氧化钼复合材料的电化学储锂性能，该材料具有较好的比容量和循环性能。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-11
目录  11-13
第一章绪论  13-30
  1.1 锂离子电池概述  13-15
  1.2 锂离子电池正负极材料研究进展  15-26
    1.2.1 锂离子电池正极材料研究进展  15-19
    1.2.2 锂离子电池负极材料研究进展  19-26
      1.2.2.1 碳材料  19-22
      1.2.2.2 非过渡金属材料  22-24
      1.2.2.3 过渡金属材料  24-26
  1.3 石墨烯基材料研究现状  26-28
    1.3.1 石墨烯制备方法  26-27
    1.3.2 石墨烯及其复合材料在锂离子电池上的应用  27-28
  1.4 本论文主要研究内容  28-30
第二章实验部分  30-36
  2.1 实验药品和仪器  30-32
    2.1.1 实验药品  30-31
    2.1.2 实验仪器  31-32
  2.2 材料组成及其形貌表征  32-34
    2.2.1 X 射线粉末衍射（XRD）  32
    2.2.2 拉曼光谱（Raman）  32
    2.2.3 傅里叶变换红外光谱（FTIR）  32
    2.2.4 扫描电子显微镜（SEM）  32-33
    2.2.5 透射电子显微镜（TEM）  33
    2.2.6 电导率仪  33
    2.2.7 碳硫分析仪  33
    2.2.8 比表面积分析仪  33-34
    2.2.9 紫外可见光谱仪  34
    2.2.10 荧光光谱仪  34
  2.3 材料电化学性能测试  34-35
    2.3.1 电池装配  34-35
    2.3.2 电池性能测试  35
  2.4 材料光催化性能测试  35-36
第三章石墨烯负载锡钴纳米粒子的制备及其储锂性能研究  36-51
  3.1 引言  36-37
  3.2 材料制备  37-39
    3.2.1 锡钴纳米粒子的制备  37
    3.2.2 石墨烯负载锡钴纳米粒子的制备  37-39
    3.2.3 材料表征仪器  39
  3.3 结果和讨论  39-50
    3.3.1 材料组成表征  39-42
    3.3.2 材料形貌表征  42-46
    3.3.3 材料电化学性能表征  46-50
  3.4 本章小结  50-51
第四章还原石墨烯氧化物负载硫化锡材料的制备及其在储锂和光催化性能上的研究  51-73
  4.1 引言  51-52
  4.2 材料制备  52-53
    4.2.1 花状硫化锡的制备  52-53
    4.2.2 还原石墨烯氧化物负载花状硫化锡材料的制备  53
    4.2.3 材料表征仪器  53
  4.3 结果和讨论  53-72
    4.3.1 材料组成表征  53-57
    4.3.2 材料形貌表征  57-63
    4.3.3 材料电化学性能表征  63-67
    4.3.4 材料光催化性能表征  67-72
  4.4 本章小结  72-73
第五章石墨烯负载二氧化钼纳米粒子的制备及其储锂性能的研究  73-82
  5.1 引言  73-74
  5.2 材料制备  74-75
    5.2.1 三氧化钼纳米棒及碳包覆二氧化钼纳米粒子的制备  74
    5.2.2 石墨烯负载二氧化钼纳米粒子的制备  74-75
    5.2.3 材料表征仪器  75
  5.3 结果和讨论  75-81
    5.3.1 材料组成表征  75-76
    5.3.2 材料形貌表征  76-79
    5.3.3 材料电化学性能表征  79-81
  5.4 本章小结  81-82
第六章结论与展望  82-85
  6.1 结论  82-84
  6.2 展望  84-85
参考文献  85-97
作者在攻读硕士学位期间所作的项目  97-98
致谢  98

石墨烯负载锡基材料及钼基材料的制备和储锂性能研究

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