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过分依赖化石能源带来的能源危机与环境恶化是人类亟待解决的两大难题。锂离子电池(LIB)和直接甲醇燃料电池(DMFC)是清洁的储能和能量转换装置,在消费类电子产品、储能设施和电动汽车领域有广泛应用的前景,对于优化能源结构、缓解能源危机和环境污染具有重要意义。电活性材料是限制LIB和DMFC性能的关键因素之一。磷酸铁锂(LiFePO4)和PtRu催化剂分别是目前最有前景的LIB阴极材料和DMFC阳极催化剂。然而,较低的本征电子电导率与锂离子扩散速率影响LiFePO4的电化学性能,阻碍其在动力锂离子电池领域的大规模商业化应用。由于PtRu催化剂甲醇氧化催化活性和耐久性不足,极大地限制了DMFC的性能和商业化应用。因此,如何提升LiFePO4和PtRu催化剂性能成为备受瞩目的研究热点。 纳米碳(如碳纳米管,石墨烯等)具有电子电导率高、比表面积大、亲合力强以及化学稳定性好等优点,在电化学材料领域表现出优异的性能。为改善LiFePO4正极材料和PtRu催化剂的性能,本文采用多元醇回流法结合热处理合成碳纳米管与石墨烯共同修饰的薄片状LiFePO4多孔复合材料,通过溶剂热法制备氮掺杂石墨烯—LiFePO4多孔球形复合材料,并采用一步热处理法合成N、B掺杂石墨烯负载的PtRu纳米催化剂。使用X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜以及X射线光电子能谱等表征手段进行晶型、微观形貌与化学组态分析,并采用恒电流充放电、循环伏安法和交流阻抗法、计时电流法等技术系统测试了复合材料的电化学性能。得出如下结论: (1)碳纳米管与石墨烯构成的三维导电网络能有效提升LiFePO4的电子电导率。适当的热处理过程可以优化形貌与晶体结构,从而改善LiFePO4复合材料的电化学性能。经优化后的LiFePO4复合材料表现出优异的电化学性能,0.1和1C放电容量分别为163和127 mAh g-1,而且1C循环100次后容量保持率高达99%。 (2)氮掺杂石墨烯和LiFePO4纳米片自组装构成的多孔微球结构有利于增大电极与电解液之间的反应界面,提高电荷转移速率,减小锂离子扩散距离并加速锂离子扩散。因此,多孔微球复合材料表现出优异的放电比容量、倍率特性和循环稳定性。 (3)硼、氮掺杂可以在石墨烯表面引入化学官能团,调控负载铂钌催化剂的颗粒尺寸和分散程度,从而提高催化剂的甲醇氧化电催化性能。优化实验表明,最佳热处理温度为800℃,N掺杂催化剂的最佳热处理时间为60 min,B掺杂催化剂的最佳热处理时间为90 min,这些条件下制备的样品展现出良好的甲醇氧化催化活性、抗中毒能力以及稳定性。