氮氟双掺杂多孔石墨烯水凝胶的制备及其超级电容器性能

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石墨烯是由sp2杂化碳原子以共价键连接构成的单原子层超薄二维蜂窝状晶体材料,具有良好的导电性、化学和热稳定性及超高的理论比表面积,是超级电容器的理想电极材料。但在实际应用中,本征石墨烯的层层堆叠、电化学惰性和低电化学活性位点等缺点严重限制了石墨烯作为电极材料的应用。因此,本文通过对石墨烯表面氧化刻蚀来增大比表面积,并引入杂原子掺杂提高石墨烯的电容性能。研究首先采用过氧化氢对氧化石墨烯表面氧化刻蚀得到多孔氧化石墨烯,再以吡啶氢氟酸盐为掺杂剂通过一步水热法制备得到氮氟双掺杂多孔石墨烯水凝胶(NF-HGH)。研究首先讨论了反应温度对元素掺杂的影响并确定了最佳掺杂反应温度。此外,通过NF-HGH与最佳温度下制备的其他水凝胶样品对比,探究了氧化刻蚀对元素掺杂含量、键型构成和比表面积的影响。研究发现在150℃条件下制备的NF-HGH中氮和氟掺杂量分别为2.56和1.14 at.%,氮原子主要以吡啶氮和吡咯氮形式存在,氟原子以C-F半离子键形式存在,比表面积高达735m2 g-1。将NF-HGH进行电化学性能分析发现,与其他对比样品相比,NF-HGH电极表现出更高的可逆容量(1 A g-1为345.4 F g-1)、良好的倍率性能(100 A g-1为197.9 F g-1)和优良的循环性能(2 A·g-1下循环10000圈,容量保持率为96%);组装的对称柔性固态超级电容器显示出最大能量密度7.99 Wh kg-1,最高功率密度达10.00 kW kg-1,并具有良好的柔性使用性;在有机电解液中,具有2-4.5 V宽电势使用范围和良好的充放电特性,显示出超大能量密度复合式超级电容器正极材料的应用潜力。
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