电弧放电法制备石墨烯的硝酸改性及其电化学性能增强

申保收 冯旺军 郎俊伟 王儒涛 邰志新 阎兴斌

引用本文: 申保收, 冯旺军, 郎俊伟, 王儒涛, 邰志新, 阎兴斌. 电弧放电法制备石墨烯的硝酸改性及其电化学性能增强[J]. 物理化学学报, 2012, 28(07): 1726-1732. doi: 10.3866/PKU.WHXB201204261 shu
Citation:  SHEN Bao-Shou, FENG Wang-Jun, LANG Jun-Wei, WANG Ru-Tao, TAI Zhi-Xin, YAN Xing-Bin. Nitric Acid Modification of Graphene Nanosheets Prepared by Arc- Discharge Method and Their Enhanced Electrochemical Properties[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2012, 28(07): 1726-1732. doi: 10.3866/PKU.WHXB201204261 shu

电弧放电法制备石墨烯的硝酸改性及其电化学性能增强

  • 基金项目:

    中国科学院&ldquo 

    百人计划&rdquo 

    项目, 中国博士后科学基金(20100480728) (20100480728)

    甘肃省青年科技基金计划项目(1107RJYA274)资助 (1107RJYA274)

摘要:

采用电弧放电法大规模制备了层数少, 导电率高, 结晶性好的石墨烯纳米片(GNSs). 通过扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)表征发现制得的石墨烯形貌良好. 然而电化学测试表明GNSs作为电极材料的电容性能不好. 为了增加材料表面电化学反应活性点, 促进GNSs在水系电解液中的润湿性, 我们对所制备的GNSs表面进行了硝酸改性处理. 结果显示硝酸处理后的石墨烯纳米片(H-GNSs)表面新增了较多的含氧氮官能团,其亲水性得到了显著提高. 对H-GNSs的电化学研究表明: 硝酸改性处理后的GNSs在2 mol·L-1 KOH溶液中电流密度为0.5 A·g-1时, 比电容可达65.5 F·g-1, 约为改性前的30 倍; 此外, H-GNSs作为电极材料连续进行2000次充放电测试后还展示出了良好的循环稳定性, 是一种潜在的超级电容器电极材料.

English

    1. [1]

      (1) Winter, M.; Brodd, R. J. Chem. Rev. 2004, 104, 4245. doi: 10.1021/cr020730k

      (1) Winter, M.; Brodd, R. J. Chem. Rev. 2004, 104, 4245. doi: 10.1021/cr020730k

    2. [2]

      (2) Conway, B. E. J. Electrochem. Soc. 1991, 138, 1539. doi: 10.1149/1.2085829(2) Conway, B. E. J. Electrochem. Soc. 1991, 138, 1539. doi: 10.1149/1.2085829

    3. [3]

      (3) Xiong, S. L.; Yuan, C. Z.; Zhang, X. G.; Xi, B. J.; Qian, Y. T.Chem. Eur. J. 2009, 15, 5320. doi: 10.1002/chem.200802671(3) Xiong, S. L.; Yuan, C. Z.; Zhang, X. G.; Xi, B. J.; Qian, Y. T.Chem. Eur. J. 2009, 15, 5320. doi: 10.1002/chem.200802671

    4. [4]

      (4) Wu, Z. S.;Wang, D.W.; Ren,W. C.; Zhao, J. P.; Zhou, G. M.;Li, F.; Cheng, H. M. Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 3595. doi: 10.1002/adfm.201001054(4) Wu, Z. S.;Wang, D.W.; Ren,W. C.; Zhao, J. P.; Zhou, G. M.;Li, F.; Cheng, H. M. Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 3595. doi: 10.1002/adfm.201001054

    5. [5]

      (5) Lang, J.W.; Kong, L. B.;Wu,W. J.; Luo, Y. C.; Kang, L. Chem. Commun. 2008, 4213.(5) Lang, J.W.; Kong, L. B.;Wu,W. J.; Luo, Y. C.; Kang, L. Chem. Commun. 2008, 4213.

    6. [6]

      (6) Li, Y. M.; Van Zijll, M.; Chiang, S.; Pan, N. J. Power Sources2011, 196, 6003. doi: 10.1016/j.jpowsour.2011.02.092(6) Li, Y. M.; Van Zijll, M.; Chiang, S.; Pan, N. J. Power Sources2011, 196, 6003. doi: 10.1016/j.jpowsour.2011.02.092

    7. [7]

      (7) Chang, J. K.; Tsai,W. T. J. Electrochem. Soc. 2005, 152, A2063.(7) Chang, J. K.; Tsai,W. T. J. Electrochem. Soc. 2005, 152, A2063.

    8. [8]

      (8) Zhang, H.; Cao, G. P.;Wang, Z. Y.; Yang, Y. S.; Shi, Z. J.; Gu,Z. N. Electrochem. Commun. 2008, 10, 1056. doi: 10.1016/j.elecom.2008.05.007(8) Zhang, H.; Cao, G. P.;Wang, Z. Y.; Yang, Y. S.; Shi, Z. J.; Gu,Z. N. Electrochem. Commun. 2008, 10, 1056. doi: 10.1016/j.elecom.2008.05.007

    9. [9]

      (9) Nam, K.W.; Kim, K. B. J. Electrochem. Soc. 2002, 149, A346.(9) Nam, K.W.; Kim, K. B. J. Electrochem. Soc. 2002, 149, A346.

    10. [10]

      (10) Lei, Z. B.; Christov, N.; Zhao, X. S. Energy Environ. Sci. 2011,4, 1866. doi: 10.1039/c1ee01094h(10) Lei, Z. B.; Christov, N.; Zhao, X. S. Energy Environ. Sci. 2011,4, 1866. doi: 10.1039/c1ee01094h

    11. [11]

      (11) Allen, M. J.; Tung, V. C.; Kaner, R. B. Chem. Rev. 2010, 110,132. doi: 10.1021/cr900070d(11) Allen, M. J.; Tung, V. C.; Kaner, R. B. Chem. Rev. 2010, 110,132. doi: 10.1021/cr900070d

    12. [12]

      (12) Zhang, H. X.; Lv, J.; Li, Y. M.;Wang, Y.; Li, J. H. ACS Nano2010, 4, 380. doi: 10.1021/nn901221k(12) Zhang, H. X.; Lv, J.; Li, Y. M.;Wang, Y.; Li, J. H. ACS Nano2010, 4, 380. doi: 10.1021/nn901221k

    13. [13]

      (13) Yoo, J. J.; Balakrishnan, K.; Huang, J.; Meunier, V.; Sumpter, B.G.; Srivastava, A.; Conway, M.; Reddy, A. L. M.; Yu, J.; Vajtai,R.; Ajayan, P. M. Nano Lett. 2011, 11, 1423. doi: 10.1021/nl200225j(13) Yoo, J. J.; Balakrishnan, K.; Huang, J.; Meunier, V.; Sumpter, B.G.; Srivastava, A.; Conway, M.; Reddy, A. L. M.; Yu, J.; Vajtai,R.; Ajayan, P. M. Nano Lett. 2011, 11, 1423. doi: 10.1021/nl200225j

    14. [14]

      (14) Wang, Y.; Shi, Z. Q.; Huang, Y.; Ma, Y. F.;Wang, C. Y.; Chen,M. M.; Chen, Y. S. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 13103. doi: 10.1021/jp902214f(14) Wang, Y.; Shi, Z. Q.; Huang, Y.; Ma, Y. F.;Wang, C. Y.; Chen,M. M.; Chen, Y. S. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 13103. doi: 10.1021/jp902214f

    15. [15]

      (15) Li, Z. J.; Yang, B. C.; Zhang, S. R.; Zhao, M. X. Appl. Surf. Sci.2011, 258, 3726.(15) Li, Z. J.; Yang, B. C.; Zhang, S. R.; Zhao, M. X. Appl. Surf. Sci.2011, 258, 3726.

    16. [16]

      (16) Wang, D.W.; Li, F. Z.;Wu, S.; Ren,W.; Cheng, H. M.Electrochem. Commun. 2009, 11, 1729. doi: 10.1016/j.elecom.2009.06.034(16) Wang, D.W.; Li, F. Z.;Wu, S.; Ren,W.; Cheng, H. M.Electrochem. Commun. 2009, 11, 1729. doi: 10.1016/j.elecom.2009.06.034

    17. [17]

      (17) Liu, C. G.; Yu, Z. N.; Neff, D.; Zhamu, A.; Jang, B. Z. Nano Lett. 2010, 10, 4863. doi: 10.1021/nl102661q(17) Liu, C. G.; Yu, Z. N.; Neff, D.; Zhamu, A.; Jang, B. Z. Nano Lett. 2010, 10, 4863. doi: 10.1021/nl102661q

    18. [18]

      (18) Stoller, M. D.; Park, S.; Zhu, Y.W.; An, J. H.; Ruoff, R. S. Nano Lett. 2008, 8, 3498. doi: 10.1021/nl802558y(18) Stoller, M. D.; Park, S.; Zhu, Y.W.; An, J. H.; Ruoff, R. S. Nano Lett. 2008, 8, 3498. doi: 10.1021/nl802558y

    19. [19]

      (19) Liu,W.W.; Yan, X. B.; Lang, J.W.; Xue, Q. J. J. Mater. Chem.2011, 21, 13205. doi: 10.1039/c1jm11930c(19) Liu,W.W.; Yan, X. B.; Lang, J.W.; Xue, Q. J. J. Mater. Chem.2011, 21, 13205. doi: 10.1039/c1jm11930c

    20. [20]

      (20) 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(20) 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

    21. [21]

      (21) Tung, V. C.; Allen, M. J.; Yang, Y.; Kaner, R. B. Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 25. doi: 10.1038/nnano.2008.329(21) Tung, V. C.; Allen, M. J.; Yang, Y.; Kaner, R. B. Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 25. doi: 10.1038/nnano.2008.329

    22. [22]

      (22) Emtsev, K. V.; Bostwick, A.; Horn, K.; Jobst, J.; Kellogg, G. L.;Ley, L.; McChesney, J. L.; Ohta, T.; Reshanov, S. A.; Rohrl, J.;Rotenberg, E.; Schmid, A. K.;Waldmann, D.;Weber, H. B.;Seyller, T. Nat. Mater. 2009, 8, 203. doi: 10.1038/nmat2382(22) Emtsev, K. V.; Bostwick, A.; Horn, K.; Jobst, J.; Kellogg, G. L.;Ley, L.; McChesney, J. L.; Ohta, T.; Reshanov, S. A.; Rohrl, J.;Rotenberg, E.; Schmid, A. K.;Waldmann, D.;Weber, H. B.;Seyller, T. Nat. Mater. 2009, 8, 203. doi: 10.1038/nmat2382

    23. [23]

      (23) Sutter, P.W.; Flege, J. I.; Sutter, E. A. Nat. Mater. 2008, 7, 406.doi: 10.1038/nmat2166(23) Sutter, P.W.; Flege, J. I.; Sutter, E. A. Nat. Mater. 2008, 7, 406.doi: 10.1038/nmat2166

    24. [24]

      (24) Kim, K. S.; Zhao, Y.; Jang, H.; Lee, S. Y.; Kim, J. M.; Ahn, J.H.; Kim, P.; Choi, J. Y.; Hong, B. H. Nature 2009, 457, 706.doi: 10.1038/nature07719(24) Kim, K. S.; Zhao, Y.; Jang, H.; Lee, S. Y.; Kim, J. M.; Ahn, J.H.; Kim, P.; Choi, J. Y.; Hong, B. H. Nature 2009, 457, 706.doi: 10.1038/nature07719

    25. [25]

      (25) Yang, X.; Dou, X.; Rouhanipour, A.; Zhi, L.; Rader, H. J.;Mullen, K. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 4216. doi: 10.1021/ja710234t(25) Yang, X.; Dou, X.; Rouhanipour, A.; Zhi, L.; Rader, H. J.;Mullen, K. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 4216. doi: 10.1021/ja710234t

    26. [26]

      (26) Subrahmanyam, K. S.; Panchakarla, L. S.; vindaraj, A.; Rao,C. N. R. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 4257.(26) Subrahmanyam, K. S.; Panchakarla, L. S.; vindaraj, A.; Rao,C. N. R. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 4257.

    27. [27]

      (27) Wu, Z.; Ren,W.; Gao, L.; Zhao, J.; Chen, Z.; Liu, B.; Tang, D.;Yu, B.; Jiang, C.; Cheng, H. ACS Nano 2009, 3, 411. doi: 10.1021/nn900020u(27) Wu, Z.; Ren,W.; Gao, L.; Zhao, J.; Chen, Z.; Liu, B.; Tang, D.;Yu, B.; Jiang, C.; Cheng, H. ACS Nano 2009, 3, 411. doi: 10.1021/nn900020u

    28. [28]

      (28) Yan, L.;Wang, Z. Y.; Zhang, H.; Fang, J.; Cao, G. P.; Shi, Z. J.;Wang, B. Y. Journal of Inorganic Materials 2010, 25, 725. doi: 10.3724/SP.J.1077.2010.00725(28) Yan, L.;Wang, Z. Y.; Zhang, H.; Fang, J.; Cao, G. P.; Shi, Z. J.;Wang, B. Y. Journal of Inorganic Materials 2010, 25, 725. doi: 10.3724/SP.J.1077.2010.00725

    29. [29]

      (29) Yu, D. S.; Dai, L. M. J. Phys. Chem. Lett. 2009, 1, 467.(29) Yu, D. S.; Dai, L. M. J. Phys. Chem. Lett. 2009, 1, 467.

    30. [30]

      (30) Du, Q. L.; Zheng, M. B.; Zhang, L. F.;Wang, Y.W.; Chen, J. H.;Xue, L. P.; Dai,W. J.; Ji, G. B.; Cao, J. M. Electrochim. Acta2010, 55, 3897. doi: 10.1016/j.electacta.2010.01.089(30) Du, Q. L.; Zheng, M. B.; Zhang, L. F.;Wang, Y.W.; Chen, J. H.;Xue, L. P.; Dai,W. J.; Ji, G. B.; Cao, J. M. Electrochim. Acta2010, 55, 3897. doi: 10.1016/j.electacta.2010.01.089

    31. [31]

      (31) Qian, Y.; Lu, S. B.; Gao, F. L. J. Mater. Sci. 2011, 46, 3517. doi: 10.1007/s10853-011-5260-y(31) Qian, Y.; Lu, S. B.; Gao, F. L. J. Mater. Sci. 2011, 46, 3517. doi: 10.1007/s10853-011-5260-y

    32. [32]

      (32) Lu, X.J.; Dou, H.; Yang, S. D.; Hao, L.; Zhang, F.; Zhang, X. G.Acta Phys. -Chim. Sin. 2011, 27, 2333. [卢向军, 窦辉, 杨苏东, 郝亮, 张方, 张校刚. 物理化学学报, 2011, 27, 2333.]doi: 10.3866/PKU.WHXB20111022(32) Lu, X.J.; Dou, H.; Yang, S. D.; Hao, L.; Zhang, F.; Zhang, X. G.Acta Phys. -Chim. Sin. 2011, 27, 2333. [卢向军, 窦辉, 杨苏东, 郝亮, 张方, 张校刚. 物理化学学报, 2011, 27, 2333.]doi: 10.3866/PKU.WHXB20111022

    33. [33]

      (33) Wang, H. L.; Casalongue, H. S.; Liang, Y. Y.; Dai, H. J. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 7472. doi: 10.1021/ja102267j(33) Wang, H. L.; Casalongue, H. S.; Liang, Y. Y.; Dai, H. J. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 7472. doi: 10.1021/ja102267j

    34. [34]

      (34) Liang, M. H.; Zhi, L. J. J. Mater. Chem. 2009, 19, 5871. doi: 10.1039/b901551e(34) Liang, M. H.; Zhi, L. J. J. Mater. Chem. 2009, 19, 5871. doi: 10.1039/b901551e

    35. [35]

      (35) Lang, J.W.; Yan, X. B.; Yuan, X. Y.; Yang, J.; Xue, Q. J.J. Power Sources 2011, 196, 10472. doi: 10.1016/j.jpowsour.2011.08.017(35) Lang, J.W.; Yan, X. B.; Yuan, X. Y.; Yang, J.; Xue, Q. J.J. Power Sources 2011, 196, 10472. doi: 10.1016/j.jpowsour.2011.08.017

    36. [36]

      (36) Shen, B. S.; Ding, J. J.; Yan, X. B.; Feng,W. J.; Li, J.; Xue, Q. J.Appl. Surf. Sci. 2012, 258, 4523. doi: 10.1016/j.apsusc.2012.01.019(36) Shen, B. S.; Ding, J. J.; Yan, X. B.; Feng,W. J.; Li, J.; Xue, Q. J.Appl. Surf. Sci. 2012, 258, 4523. doi: 10.1016/j.apsusc.2012.01.019

    37. [37]

      (37) Kong, L. B.; Lang, J.W.; Liu, M.; Luo, Y. C.; Kang, L. J. Power Sources 2009, 194, 1194. doi: 10.1016/j.jpowsour.2009.06.016(37) Kong, L. B.; Lang, J.W.; Liu, M.; Luo, Y. C.; Kang, L. J. Power Sources 2009, 194, 1194. doi: 10.1016/j.jpowsour.2009.06.016

    38. [38]

      (38) Wu, Y. P.;Wang, B.; Ma, Y. F.; Huang, Y.; Li, N.; Zhang, F.;Chen, Y. S. Nano Res. 2010, 3, 661. doi: 10.1007/s12274-010-0027-3(38) Wu, Y. P.;Wang, B.; Ma, Y. F.; Huang, Y.; Li, N.; Zhang, F.;Chen, Y. S. Nano Res. 2010, 3, 661. doi: 10.1007/s12274-010-0027-3

    39. [39]

      (39) Chen, C. M.; Huang, J. Q.; Zhang, Q.; ng,W. Z.; Yang, Q.H.;Wang, M. Z.; Yang, Y. G. Carbon 2012, 50, 659. doi: 10.1016/j.carbon.2011.09.022(39) Chen, C. M.; Huang, J. Q.; Zhang, Q.; ng,W. Z.; Yang, Q.H.;Wang, M. Z.; Yang, Y. G. Carbon 2012, 50, 659. doi: 10.1016/j.carbon.2011.09.022

    40. [40]

      (40) Bichat, M. P.; Raymundo-Piñero, E.; Béguin, F. Carbon 2010,48, 4351. doi: 10.1016/j.carbon.2010.07.049(40) Bichat, M. P.; Raymundo-Piñero, E.; Béguin, F. Carbon 2010,48, 4351. doi: 10.1016/j.carbon.2010.07.049

    41. [41]

      (41) Lufrano, F.; Staiti, P. Energy Fuels 2010, 24, 3313. doi: 10.1021/ef901447y(41) Lufrano, F.; Staiti, P. Energy Fuels 2010, 24, 3313. doi: 10.1021/ef901447y

    42. [42]

      (42) Wang, J.; Chen, M. M.;Wang, C. Y.;Wang, J. Z.; Zheng, J. M.J. Power Sources 2011, 196, 550. doi: 10.1016/j.jpowsour.2010.07.030

      (42) Wang, J.; Chen, M. M.;Wang, C. Y.;Wang, J. Z.; Zheng, J. M.J. Power Sources 2011, 196, 550. doi: 10.1016/j.jpowsour.2010.07.030

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1350
  • 文章访问数:  3631
  • HTML全文浏览量:  111
文章相关
  • 发布日期:  2012-06-07
  • 收稿日期:  2012-02-23
  • 网络出版日期:  2012-04-26
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