石墨烯纳米片的低温热剥离制备及其超电容性能 第29届全国化学与物理电源学术年会.pdf

1 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 石墨烯纳米片的低温热剥离制备 及其超电容性能 报告人：梁 逵 湖南大学材料科学与工程学院 2 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 提提提提纲纲纲纲 一一一一、 背景介绍背景介绍背景介绍背景介绍 二二二二、 本小组研究工作本小组研究工作本小组研究工作本小组研究工作 三三三三、 石墨烯纳米片制备石墨烯纳米片制备石墨烯纳米片制备石墨烯纳米片制备 四四四四、 表表表表征征征征 五五五五、 结结结结论论论论 3 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 背背背背 景景景景 石化资源匮乏环境污染 可再生清洁能源 电动汽车风光发电 4 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 战略性新兴产业战略性新兴产业战略性新兴产业战略性新兴产业 七大战略性新兴产业： 以重大技术突破和重大发展需求为基础，对经济社 会全局和长远发展具有重大引领带动作用，知识技 术密集、物质资源消耗少、成长潜力大、综合效益 好的产业 ; 新能源、新材料、新能源汽车、节能环保 新一代信息技术、生物、高端装备制造 5 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 重大需求与发展瓶颈重大需求与发展瓶颈重大需求与发展瓶颈重大需求与发展瓶颈 与电源行业密切相关的： 电动汽车，发展瓶颈：动力电池 风光发电，发展瓶颈：储能电池 6 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 碳是很重要的储能材料碳是很重要的储能材料碳是很重要的储能材料碳是很重要的储能材料 1）超级电容器电极材料 2）锂离子电池负极材料 3）铅炭超级电池材料 4）锌锰电池材料 5）燃料电池材料 6）氢气、甲烷储存材料 7 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 碳是很重要的储电材料碳是很重要的储电材料碳是很重要的储电材料碳是很重要的储电材料 能量型储电器件结晶性好的炭材料 锂离子电池石墨 功率型储电器件结晶性差的炭材料 超级电容器活性炭 8 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 炭材料特性炭材料特性炭材料特性炭材料特性 1 富勒烯、碳纳米管、石墨烯、石墨、金刚石 对应：零维、一维、二维、三维材料 碳五种同素异形体，中学教科书待跟进 2 绝缘与导体、最硬与很软 3 动植物的主要骨架元素 4 两次授予诺贝尔奖1996 富勒烯，2010石墨烯 9 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 本小组研究工作本小组研究工作本小组研究工作本小组研究工作 1）超级活性炭； 2）超导电炭黑； 3）石墨烯。 10 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 几种炭的显微形貌几种炭的显微形貌几种炭的显微形貌几种炭的显微形貌几种炭的显微形貌几种炭的显微形貌几种炭的显微形貌几种炭的显微形貌 11 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 本小组研究工作本小组研究工作本小组研究工作本小组研究工作 1）超级活性炭 铅炭电池用活性炭 超级电池用活性炭 超级电容器用活性炭 合作厂家：山东圣阳电源股份、风帆股份、 上海奥威科技 12 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 本小组研究工作本小组研究工作本小组研究工作本小组研究工作 2）超导电炭黑 “三高”炭黑 高结构、高导电、高分散 13 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 超导电炭黑基本依赖进口超导电炭黑基本依赖进口超导电炭黑基本依赖进口超导电炭黑基本依赖进口 2）超导电炭黑 timcal: super p 、e350 akzo: ketjenec300 、ec600 cabot：xc-72、bp2000 14 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 本小组研究工作本小组研究工作本小组研究工作本小组研究工作 3）石墨烯 15 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 石墨烯和碳纳米管的显微形貌石墨烯和碳纳米管的显微形貌石墨烯和碳纳米管的显微形貌石墨烯和碳纳米管的显微形貌石墨烯和碳纳米管的显微形貌石墨烯和碳纳米管的显微形貌石墨烯和碳纳米管的显微形貌石墨烯和碳纳米管的显微形貌 16 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 石墨烯密度和强度石墨烯密度和强度石墨烯密度和强度石墨烯密度和强度石墨烯密度和强度石墨烯密度和强度石墨烯密度和强度石墨烯密度和强度 石墨烯以正六边形碳环作为结构单元，其面密度为0.77 mg/m2。假设有一张 面积为1 m2的石墨烯吊床，其质量仅为0.77 mg。 石墨烯的强度约为钢的100倍。面积为1 m2的石墨烯层片可承受4 kg的质量。 这张吊床的重量仅和猫一根胡须的重量相当，却可以承受一只猫的重量。 17 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 石墨烯的透光性石墨烯的透光性石墨烯的透光性石墨烯的透光性石墨烯的透光性石墨烯的透光性石墨烯的透光性石墨烯的透光性 石墨烯的可见光透过率为97.7%，高度透明，而且质量很轻。安徒 生童话中那两个骗子胡诌zhou的“皇帝的新装”也完全可以由石墨烯 来制成，不仅防雨防风防灰尘，而且抗辐射防静电。 18 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 石墨烯表面特性石墨烯表面特性石墨烯表面特性石墨烯表面特性 石墨烯理论的比表面积为2630m2/g，双电层电容平均约为 25f/cm2，理论比电容可达650f/g。 石墨烯具有高比表面积和优良的导电性可望成为超级电容 器理想的电极材料。 19 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 石墨烯的制备方法石墨烯的制备方法石墨烯的制备方法石墨烯的制备方法 石墨烯的制备主要有两种：物理法和化学法。 物理法包括微机械分离法、取向附生法和加热 sic 法 等； 化学法即化学氧化还原法，主要是通过对石墨进行化 学处理，制备成氧化石墨（graphite oxide, go）， 再通过对 go 进行剥离还原，来制备石墨烯。 20 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 氧化石墨制备方法氧化石墨制备方法氧化石墨制备方法氧化石墨制备方法 自1896年 brodie首次制备出氧化石墨以 来，其良好的物理化学性能受到了科研工作 者的广泛关注，并引起了人们对其制备方 法、结构及性能的研究兴趣。 1898年 staudenmaier法 1958年 hummers法，该法具有反应简 单，时间短，安全性较高，对环境的污染相 对较小等特点 21 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 氧化石墨的性质氧化石墨的性质氧化石墨的性质氧化石墨的性质 层面碳原子间以强的共价键结合，层与层之间 则以较弱的氢键结合，且其层间含有丰富的极性官能 团（c=o、oh、coc等），因此氧化石墨具有 良好的亲水性、层离特性、及氧化还原性等物理化学 性能。 22 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 热剥离还原热剥离还原热剥离还原热剥离还原 go go go go 法法法法 热剥离 go 的原理：将 go 置于一定的高温环境，通 过快速加热的方式，使石墨层间的官能团发生分解， 释放出 co2和 h2o，使层间的压力迅速增大，当层间压 力大于范德瓦尔斯力时，石墨层发生剥离，制备出石 墨烯纳米片。 此方法是实现石墨烯规模制备的一条重要途径。 23 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 热剥离还原热剥离还原热剥离还原热剥离还原 go go go go 法法法法 报道中的高温热剥离8001000 设备要求高、能耗大，石墨烯纳米片有烧损 24 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 石墨烯超电容文献石墨烯超电容文献石墨烯超电容文献石墨烯超电容文献 vivekchand等 1050117f/g h2so4电解液 xian du等1000150f/g koh 电解液 sagar mitra等800 michael j. m.等 1050 25 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 低温热剥离制备石墨烯纳米片低温热剥离制备石墨烯纳米片低温热剥离制备石墨烯纳米片低温热剥离制备石墨烯纳米片 低温热剥离法节能 简便 鳞片石墨粉作为前驱体，利用改进的hummers法制备go 分别在200 、300 热剥离go 得到gns200、gns300 26 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 xrd xrd xrd xrd 表征表征表征表征 go在2=8.26较强的(001)衍射峰 在2=42.2 较弱的(100)衍射峰 石墨的(002) 衍射峰基本消失 石墨0.335nm 氧化石墨1.0nm 石墨烯纳米片其(002)衍射峰弱，说明 石墨层之间已经产生有效的剥离 020406080100 (c) (a) d=3.862 d=3.861 g(004) go(100) intensity(a.u) 2? (? (a)go (b)gns200 (c)gns300 (d)graphite g(002) go(001) d=10.685 (d) (b) 27 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 扫描电镜图扫描电镜图扫描电镜图扫描电镜图 石墨烯纳米片间形成纳米孔结构 28 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 透射电镜图透射电镜图透射电镜图透射电镜图 hrtemtem 本征起伏所导致的褶皱，这些皱褶则可以形成众多的纳米孔道和 纳米孔隙。 石墨烯纳米片厚度约为5-6nm，由10余层石墨烯组成 。 29 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 充放电曲线充放电曲线充放电曲线充放电曲线 -50005001000150020002500300035004000 0 200 400 600 800 1000 1200 e/mv t/s gns300 gns200 232259gns300 237276gns200 500ma/g (f/g)100ma/g (f/g)试样 100ma/g 充放电500ma/g充放电 0100200300400500600 0 200 400 600 800 1000 1200 e/mv t/s 30 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 循环伏安曲线循环伏安曲线循环伏安曲线循环伏安曲线 0.00.81.01.2 -0.14 -0.12 -0.10 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 current/a potential/v 5mv/s 20mv/s 50mv/s 100mv/s gns200的循环伏安曲线 31 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 结结结结 论论论论 在200的较低温度下，成功用热剥离法制备了石墨烯纳 米片其比电容可达276f/g 。 32 电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站电池人的求职招聘网站 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网是致力于电池行业的专业人力资源网站是致力于电池行业的专业人力资源网站是致力于电池行业的专业人力资源网站是致力于电池行业的专业人力资源网站，与行业众多的与行业众多的与行业众多的与行业众多的 媒体媒体媒体媒体、机构取得合作机构取得合作机构取得合作机构取得合作，有行业最为广泛的覆盖率和影响力有行业最为广泛的覆盖率和影响力有行业最为广泛的覆盖率和影响力有行业最为广泛的覆盖率和影响力。 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网全国唯一拥有电池行业全国唯一拥有电池行业全国唯一拥有电池行业全国唯一拥有电池行业人才招聘人才招聘人才招聘人才招聘、猎头服务猎头服务猎头服务猎头服务、校园招校园招校园招校园招 聘聘聘聘、薪酬服务薪酬服务薪酬服务薪酬服务、行业报告行业报告行业报告行业报告 、招聘外包招聘外包招聘外包招聘外包、行业月刊行业月刊行业月刊行业月刊等的服务机构等的服务机构等的服务机构等的服务机构。 2011年年年年4月月月月中南大学中南大学中南大学中南大学、中国仪表功能材料学会储能与动力电池专业委员会中国仪表功能材料学会储能与动力电池专业委员会中国仪表功能材料学会储能与动力电池专业委员会中国仪表功能材料学会储能与动力电池专业委员会、电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 共同举行电池行业专场招聘会与储能动力电池展会共同举行电池行业专场招聘会与储能动力电池展会共同举行电池行业专场招聘会与储能动力电池展会共同举行电池行业专场招聘会与储能动力电池展会； 2011年年年年5月月月月电池工业协会主办的商务平台中国电池网电池工业协会主办的商务平台中国电池网电池工业协会主办的商务平台中国电池网电池工业协会主办的商务平台中国电池网 ,求职招聘频道由求职招聘频道由求职招聘频道由求职招聘频道由 战略合作伙伴战略合作伙伴战略合作伙伴战略合作伙伴 电池人才网电池人才网电池人才网电池人才网 全线提供服务全线提供服务全线提供服务全线提供服务; 2011年年年年10月月月月 中国化学与物理电源行业协会中国化学与物理电源行业协会中国化学与物理电源行业协会中国化学与物理电源行业协会、中南大学中南大学中南大学中南大学、电池人才网共同举办第电池人才网共同举办第电池人才网共同举办第电池人才网共同举办第29届届届届 中国化学与物理电源学术年会中国化学与物理电源学术年会中国化学与物理电源学术年会中国化学与物理电源学术年会； 2011年年年年12月月月月 第六届华南锂电第六届华南锂电第六届华南锂电第六届华南锂电（国际国际国际国际）高层论坛高层论坛高层论坛高层论坛 战战战战略合作媒体略合作媒体略合作媒体略合作媒体。 。 。 。 2012年年年年6月月月月中国化学与物理电源行业协会达成行业权威展会中国化学与物理电源行业协会达成行业权威展会中国化学与物理电源行业协会达成行业权威展会中国化学与物理电源行业协会达成行业权威展会cibf的战略合作伙伴的战略合作伙伴的战略合作伙伴的战略合作伙伴. 部分合作伙伴部分合作伙伴部分合作伙伴部分合作伙伴：atl 三洋三洋三洋三洋 比克比克比克比克 北大先行北大先行北大先行北大先行 北汽福田北汽福田北汽福田北汽福田 五洲龙五洲龙五洲龙五洲龙 丰江丰江丰江丰江 力神力神力神力神 大族激光等大族激光等大族激光等大族激光等 联系电话联系电话联系电话