氮掺杂石墨烯的制备及其超级电容性能

苏鹏 郭慧林 彭三 宁生科

引用本文: 苏鹏, 郭慧林, 彭三, 宁生科. 氮掺杂石墨烯的制备及其超级电容性能[J]. 物理化学学报, doi: 10.3866/PKU.WHXB201208221 shu
Citation:  SU Peng, GUO Hui-Lin, PENG San, NING Sheng-Ke. Preparation of Nitrogen-Doped Graphene and Its Supercapacitive Properties[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, doi: 10.3866/PKU.WHXB201208221 shu

氮掺杂石墨烯的制备及其超级电容性能

  • 基金项目:

    陕西省教育厅专项研究计划(09JK747)资助 (09JK747)

摘要:

以氧化石墨烯( )为原料, 尿素为还原剂和氮掺杂剂, 采用水热法合成了氮掺杂石墨烯. 利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、X 射线衍射(XRD)、X 射线光电子能谱(XPS)、氮气吸脱附分析、电导率和电化学测试对样品的形貌、结构、组成以及电化学性质进行表征. 结果表明:水热条件下尿素能有效地化学还原 并对其进行氮掺杂; 通过调节原料与掺杂剂的质量比, 可以得到不同氮掺杂含量的石墨烯, 氮元素含量范围为5.47%-7.56% (原子分数); 在6 mol·L-1的KOH电解液中, 氮元素含量为7.50%的掺杂石墨烯的超级电容性能最优, 即在3 A·g-1电流密度下首次恒流充放电比电容可达184.5 F·g-1, 经1200次循环后的比电容为161.7 F·g-1, 电容保持率为87.6%.

English

    1. [1]

      (1) Pandolfo, A. G.; Hollenkamp, A. F. J. Power Sources 2006, 157,11. doi: 10.1016/j.jpowsour.2006.02.065

      (1) Pandolfo, A. G.; Hollenkamp, A. F. J. Power Sources 2006, 157,11. doi: 10.1016/j.jpowsour.2006.02.065

    2. [2]

      (2) Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.;Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Gri rieva, I. V.; Firsov, A. A.Science 2004, 306, 666. doi: 10.1126/science.1102896 (2) Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.;Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Gri rieva, I. V.; Firsov, A. A.Science 2004, 306, 666. doi: 10.1126/science.1102896

    3. [3]

      (3) Geim, A. K.; Novoselov, K. S. Nat. Mater. 2007, 6, 183. doi: 10.1038/nmat1849 (3) Geim, A. K.; Novoselov, K. S. Nat. Mater. 2007, 6, 183. doi: 10.1038/nmat1849

    4. [4]

      (4) Katsnelson, M. I. Mater. Today 2007, 10 (1-2), 20. (4) Katsnelson, M. I. Mater. Today 2007, 10 (1-2), 20.

    5. [5]

      (5) Park, S.; Ruoff, R. S. Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 217. doi: 10.1038/nnano.2009.58 (5) Park, S.; Ruoff, R. S. Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 217. doi: 10.1038/nnano.2009.58

    6. [6]

      (6) Hu, Y. J.; Jin, J.; Zhang, H.;Wu, P.; Cai, C. X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2010, 26, 2073. [胡耀娟, 金娟, 张卉, 吴萍, 蔡称心. 物理化学学报, 2010, 26, 2073.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20100812 (6) Hu, Y. J.; Jin, J.; Zhang, H.;Wu, P.; Cai, C. X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2010, 26, 2073. [胡耀娟, 金娟, 张卉, 吴萍, 蔡称心. 物理化学学报, 2010, 26, 2073.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20100812

    7. [7]

      (7) Wei, D. C.; Liu, Y. Q.;Wang, Y.; Zhang, H. L.; Huang, L. P.; Yu,G. Nano Lett. 2009, 9, 1752. doi: 10.1021/nl803279t (7) Wei, D. C.; Liu, Y. Q.;Wang, Y.; Zhang, H. L.; Huang, L. P.; Yu,G. Nano Lett. 2009, 9, 1752. doi: 10.1021/nl803279t

    8. [8]

      (8) Qu, L. T.; Liu, Y.; Baek, J.-B.; Dai, L. M. ACS Nano 2010, 4,1321. doi: 10.1021/nn901850u (8) Qu, L. T.; Liu, Y.; Baek, J.-B.; Dai, L. M. ACS Nano 2010, 4,1321. doi: 10.1021/nn901850u

    9. [9]

      (9) Meyer, J. C.; Kurasch, S.; Park, H. J.; Skakalova, V.; Kunzel,D.; Groβ, A.; Chuvilin A.; Algara-Siller, G.; Roth, S.; Iwasaki,T.; Starke, U.; Smet, J. H.; Kaiser, U. Nat. Mater. 2011, 10, 209.doi: 10.1038/nmat2941 (9) Meyer, J. C.; Kurasch, S.; Park, H. J.; Skakalova, V.; Kunzel,D.; Groβ, A.; Chuvilin A.; Algara-Siller, G.; Roth, S.; Iwasaki,T.; Starke, U.; Smet, J. H.; Kaiser, U. Nat. Mater. 2011, 10, 209.doi: 10.1038/nmat2941

    10. [10]

      (10) Jeong, H. M.; Lee, J.W.; Shin,W. H.; Choi, Y. J.; Shin, H. J.;Kang, J. K.; Choi, J.W. Nano Lett. 2011, 11, 2472. doi: 10.1021/nl2009058 (10) Jeong, H. M.; Lee, J.W.; Shin,W. H.; Choi, Y. J.; Shin, H. J.;Kang, J. K.; Choi, J.W. Nano Lett. 2011, 11, 2472. doi: 10.1021/nl2009058

    11. [11]

      (11) Shao, Y. Y.; Zhang, S.; Engelhard, M. H.; Li, G. S.; Shao, G. C.;Wang, Y.; Liu, J.; Aksay, I. A.; Lin, Y. H. J. Mater. Chem. 2010,20, 7491. doi: 10.1039/c0jm00782j (11) Shao, Y. Y.; Zhang, S.; Engelhard, M. H.; Li, G. S.; Shao, G. C.;Wang, Y.; Liu, J.; Aksay, I. A.; Lin, Y. H. J. Mater. Chem. 2010,20, 7491. doi: 10.1039/c0jm00782j

    12. [12]

      (12) Wang, Y.; Shao, Y. Y; Matson, D.W.; Li, J. H.; Lin, Y. H. ACS Nano 2010, 4, 1790. doi: 10.1021/nn100315s (12) Wang, Y.; Shao, Y. Y; Matson, D.W.; Li, J. H.; Lin, Y. H. ACS Nano 2010, 4, 1790. doi: 10.1021/nn100315s

    13. [13]

      (13) Li, N.;Wang, Z. Y.; Zhao, K. K.; Shi, Z. J.; Gu, Z. N.; Xu, S. K.Carbon 2010, 48, 255. doi: 10.1016/j.carbon.2009.09.013 (13) Li, N.;Wang, Z. Y.; Zhao, K. K.; Shi, Z. J.; Gu, Z. N.; Xu, S. K.Carbon 2010, 48, 255. doi: 10.1016/j.carbon.2009.09.013

    14. [14]

      (14) Panchokarla, L. S.; Subrahmanyam, K. S.; Saha, S. K.; vindaraj, A.; Krisnamurthy, H. R.;Waghmare, U. V.; Rao, C.N. R. Adv. Mater. 2009, 21, 4726. doi: 10.1002/adma.200901335 (14) Panchokarla, L. S.; Subrahmanyam, K. S.; Saha, S. K.; vindaraj, A.; Krisnamurthy, H. R.;Waghmare, U. V.; Rao, C.N. R. Adv. Mater. 2009, 21, 4726. doi: 10.1002/adma.200901335

    15. [15]

      (15) Wang, X. R.; Li, X. L.; Zhang, L.; Yoon, Y.;Weber, P. K.;Wang,H. L.; Guo, J.; Dai, H. J. Science 2009, 324, 768. doi: 10.1126/science.1170335 (15) Wang, X. R.; Li, X. L.; Zhang, L.; Yoon, Y.;Weber, P. K.;Wang,H. L.; Guo, J.; Dai, H. J. Science 2009, 324, 768. doi: 10.1126/science.1170335

    16. [16]

      (16) Guo, B. D.; Liu, Q.; Chen, E. D.; Zhu, H.W.; Fang, L.; ng, J.R. Nano Lett. 2010, 10, 4975. doi: 10.1021/nl103079j (16) Guo, B. D.; Liu, Q.; Chen, E. D.; Zhu, H.W.; Fang, L.; ng, J.R. Nano Lett. 2010, 10, 4975. doi: 10.1021/nl103079j

    17. [17]

      (17) Sheng, Z. H.; Shao, L.; Chen, J. J.; Bao,W. J.;Wang, F. B.; Xia,X. H. ACS Nano 2011, 5, 4350. doi: 10.1021/nn103584t (17) Sheng, Z. H.; Shao, L.; Chen, J. J.; Bao,W. J.;Wang, F. B.; Xia,X. H. ACS Nano 2011, 5, 4350. doi: 10.1021/nn103584t

    18. [18]

      (18) Li, X. L.;Wang, H. L.; Robinson, J. T.; Sanchez, H.; Diankov,G.; Dai, H. J. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 15939. doi: 10.1021/ja907098f (18) Li, X. L.;Wang, H. L.; Robinson, J. T.; Sanchez, H.; Diankov,G.; Dai, H. J. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 15939. doi: 10.1021/ja907098f

    19. [19]

      (19) Jin, Z.; Yao, J.; Kittrell, C.; Tour, J. M. ACS Nano 2011, 5, 4112.doi: 10.1021/nn200766e (19) Jin, Z.; Yao, J.; Kittrell, C.; Tour, J. M. ACS Nano 2011, 5, 4112.doi: 10.1021/nn200766e

    20. [20]

      (20) Reddy, A. L. M.; Srivastava, A.; wda, S. R.; Gullapalli, H.;Dubey, M.; Ajayan, P. M. ACS Nano 2010, 4, 6337. doi: 10.1021/nn101926g (20) Reddy, A. L. M.; Srivastava, A.; wda, S. R.; Gullapalli, H.;Dubey, M.; Ajayan, P. M. ACS Nano 2010, 4, 6337. doi: 10.1021/nn101926g

    21. [21]

      (21) Qian,W.; Cui, X.; Hao, R.; Hou, Y. L.; Zhang, Z. Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2011, 3, 2259. doi: 10.1021/am200479d (21) Qian,W.; Cui, X.; Hao, R.; Hou, Y. L.; Zhang, Z. Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2011, 3, 2259. doi: 10.1021/am200479d

    22. [22]

      (22) Mou, Z. G.; Chen, X. Y.; Du, Y. K.;Wang, X. M.; Yang, P.;Wang, S. D. Appl. Surf. Sci. 2011, 258, 1704. doi: 10.1016/j.apsusc.2011.10.019 (22) Mou, Z. G.; Chen, X. Y.; Du, Y. K.;Wang, X. M.; Yang, P.;Wang, S. D. Appl. Surf. Sci. 2011, 258, 1704. doi: 10.1016/j.apsusc.2011.10.019

    23. [23]

      (23) Sun, L.;Wang, L.; Tian, C. G.; Tan, T. X.; Xie, Y.; Shi, K. Y.; Li,M. T.; Fu, H. G. RSC Adv. 2012, 2, 4498. doi: 10.1039/c2ra01367c (23) Sun, L.;Wang, L.; Tian, C. G.; Tan, T. X.; Xie, Y.; Shi, K. Y.; Li,M. T.; Fu, H. G. RSC Adv. 2012, 2, 4498. doi: 10.1039/c2ra01367c

    24. [24]

      (24) Wakeland, S.; Martinez, R.; Grey, J. K.; Luhrs, C. C. Carbon2010, 48, 3463. doi: 10.1016/j.carbon.2010.05.043 (24) Wakeland, S.; Martinez, R.; Grey, J. K.; Luhrs, C. C. Carbon2010, 48, 3463. doi: 10.1016/j.carbon.2010.05.043

    25. [25]

      (25) Kovtyukhova, N. I.; Ollivier, P. J.; Martin, B. R.; Mallouk, T. E.;Chizhik, S. A.; Buzaneva, E. V.; rchinskiy, A. D. Chem. Mater. 1999, 11, 771. doi: 10.1021/cm981085u (25) Kovtyukhova, N. I.; Ollivier, P. J.; Martin, B. R.; Mallouk, T. E.;Chizhik, S. A.; Buzaneva, E. V.; rchinskiy, A. D. Chem. Mater. 1999, 11, 771. doi: 10.1021/cm981085u

    26. [26]

      (26) Hummers,W. S.; Offeman, R. E. J. Am. Chem. Soc. 1958, 80,1339. doi: 10.1021/ja01539a017 (26) Hummers,W. S.; Offeman, R. E. J. Am. Chem. Soc. 1958, 80,1339. doi: 10.1021/ja01539a017

    27. [27]

      (27) Xue, L. P.; Zheng, M. B.; Shen, C. F.; Lü, H. L.; Li, N.W.; Pan,L. J.; Cao, J. M. Chin. J. Inorg. Chem. 2010, 26, 1375. [薛露平, 郑明波, 沈辰飞, 吕洪岭, 李念武, 潘力佳, 曹洁明. 无机化学学报, 2010, 26, 1375.] (27) Xue, L. P.; Zheng, M. B.; Shen, C. F.; Lü, H. L.; Li, N.W.; Pan,L. J.; Cao, J. M. Chin. J. Inorg. Chem. 2010, 26, 1375. [薛露平, 郑明波, 沈辰飞, 吕洪岭, 李念武, 潘力佳, 曹洁明. 无机化学学报, 2010, 26, 1375.]

    28. [28]

      (28) Hontoria-Lucas, C.; Lopez-Peinado, A. J.; Lopez- nzalez, J.D.; Rojas-Cervantes, M. L.; Martin-Aranda, R. M. Carbon1995, 33, 1585. doi: 10.1016/0008-6223(95)00120-3 (28) Hontoria-Lucas, C.; Lopez-Peinado, A. J.; Lopez- nzalez, J.D.; Rojas-Cervantes, M. L.; Martin-Aranda, R. M. Carbon1995, 33, 1585. doi: 10.1016/0008-6223(95)00120-3

    29. [29]

      (29) Guo, H. L.;Wang, X. F.; Qian, Q. Y.;Wang, F. B.; Xia, X. H.ACS Nano 2009, 3, 2653. doi: 10.1021/nn900227d (29) Guo, H. L.;Wang, X. F.; Qian, Q. Y.;Wang, F. B.; Xia, X. H.ACS Nano 2009, 3, 2653. doi: 10.1021/nn900227d

    30. [30]

      (30) Liu, Z. H.;Wang, Z. M.; Yang, X. J.; Ooi, K. Langmuir 2002,18, 4926. doi: 10.1021/la011677i (30) Liu, Z. H.;Wang, Z. M.; Yang, X. J.; Ooi, K. Langmuir 2002,18, 4926. doi: 10.1021/la011677i

    31. [31]

      (31) Chen, Y.; Zhang, X.; Yu, P.; Ma, Y.W. J. Power Sources 2010,195, 3031. doi: 10.1016/j.jpowsour.2009.11.057

      (31) Chen, Y.; Zhang, X.; Yu, P.; Ma, Y.W. J. Power Sources 2010,195, 3031. doi: 10.1016/j.jpowsour.2009.11.057


  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  3005
  • 文章访问数:  6276
  • HTML全文浏览量:  43
文章相关
  • 发布日期:  2012-10-17
  • 收稿日期:  2012-05-29
  • 网络出版日期:  2012-08-22
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章