【摘 要】
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碳点(CDs)是一种新兴的碳纳米材料,由于其超小的尺寸、高比表面积、良好的分散性、丰富的表面官能团和缺陷、低生物毒性和光致发光特性而在生物成像、药物输运、离子检测、催化、储能和能量转化等领域展现出良好的应用价值。钠离子电池有望成为锂离子电池的替代品,解决锂资源较少的问题,近些年来,碳点在参与构筑钠离子电池电极材料中也得到了一些研究者的关注,在改善电极材料结构与性质、提高电极材料对电解液的润湿性等方
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碳点(CDs)是一种新兴的碳纳米材料,由于其超小的尺寸、高比表面积、良好的分散性、丰富的表面官能团和缺陷、低生物毒性和光致发光特性而在生物成像、药物输运、离子检测、催化、储能和能量转化等领域展现出良好的应用价值。钠离子电池有望成为锂离子电池的替代品,解决锂资源较少的问题,近些年来,碳点在参与构筑钠离子电池电极材料中也得到了一些研究者的关注,在改善电极材料结构与性质、提高电极材料对电解液的润湿性等方面有着独特的作用。然而大部分碳点制备方法受到成本、安全性、环境保护等因素制约,难以大规模生产,严重阻碍了碳点走向实际应用的进程。针对这一问题,本论文以廉价可再生的农业废弃物玉米芯为原料,采用绿色的电化学氧化法制备碳点,研究了制备过程的规律,并将碳点和还原氧化石墨烯复合应用于钠离子电池,主要研究内容如下:(1)基于生物质玉米芯特殊的天然孔隙结构,经过直接碳化制备具有定向、贯通微纳米孔道的多孔三维电极材料,内外表面同时发生电化学氧化成功高效制备碳点,并且该方法安全性高,对环境污染小。通过对比在多种酸性、中性、碱性电解液中的电化学反应,发现由于碱性电解液中容易发生氢氧根生成含氧自由基的反应,而自由基进一步可以氧化刻蚀电极材料,从而碱性电解液中有高的碳点制备效率,在1 mol L-1KOH电解液中,在1 A恒电流条件下,碳点制备效率高于135 mg h-1,该制备效率可以轻易通过增加电极数量扩大。通过改变前驱体碳化玉米芯的碳化温度,可以控制前驱体中的碳微晶生长,进而控制得到碳点的平均尺寸。电化学氧化刻蚀800℃碳化玉米芯,得到的碳点在365 nm紫外光下具有黄绿色的荧光,荧光量子效率为10.16%。此外,制备的碳点可通过使用硼氢化钠还原改性来将荧光颜色从黄绿色调节为蓝色,可以在制备过程中通过前驱体掺杂引入磷掺杂或在电解液中添加硫脲进行硫、氮共掺杂,表明这种方法拥有直接大规模制备杂原子掺杂碳点的潜能。(2)将碳化玉米芯制备的碳点与氧化石墨烯(GO)共水热制备得到了碳点/还原氧化石墨烯复合水凝胶,通过冷冻干燥和高温退火处理得到具有良好电化学性能的碳点/还原氧化石墨烯复合气凝胶。二者的复合既弥补了碳点自身导电性不足的缺点,又有效抑制了还原氧化石墨烯的自堆叠现象,应用于钠离子电池,当碳点和初始氧化石墨烯质量比为1:4时取得最优电化学性能,在0.1 A g-1下有359.0 m Ah g-1的比容量,在1 A g-1下循环1000圈仍有263.3 m Ah g-1的比容量,性能优于大部分石墨烯基材料。
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