Controllable assembly of graphene hybrid materials and their application in energy storage and conversion

Abstract

Hybrid Elektrodenmaterialien (HEM) sind der Schlüssel zu grundlegenden Fortschritten in der Energiespeicherung und Systemen zur Energieumwandlung, einschließlich Lithium-Ionen-Batterien (LiBs), Superkondensatoren (SCs) und Brennstoffzellen (FCs). Die faszinierenden Eigenschaften von Graphen machen es zu einem guten Ausgangsmaterial für die Darstellung von HEM. Jedoch scheitern traditionelle Verfahren zur Herstellung von Graphen-HEM (GHEM) scheitern häufig an der fehlenden Kontrolle über die Morphologie und deren Einheitlichkeit, was zu unzureichenden Grenzflächenwechselwirkungen und einer mangelhaften Leistung des Materials führt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Herstellung von GHEM über kontrollierte Darstellungsmethoden und befasst sich mit der Nutzung von definierten GHEM für die Energiespeicherung und -umwandlung. Die große Volumenausdehnung bildet den Hauptnachteil der künftigen Lithium-Speicher-Materialien. Als erstes wird ein dreidimensionaler Graphen Schaumhybrid zur Stärkung der Grundstruktur und zur Verbesserung der elektrochemischen Leistung des Fe3O4 Anodenmaterials dargestellt. Der Einsatz von Graphenschalen und Graphennetzen realisiert dabei einen doppelten Schutz gegen die Volumenschwankung des Fe3O4 bei dem elektrochemischen Prozess. Die Leistung der SCs und der FCs hängt von der Porenstruktur und der zugänglichen Oberfläche, beziehungsweise den katalytischen Stellen der Elektrodenmaterialien ab. Wir zeigen, dass die Steuerung der Porosität über Graphen-basierte Kohlenstoffnanoschichten (HPCN) die zugängliche Oberfläche und den Ionentransport/Ladungsspeicher für SCs-Anwendungen erhöht. Desweiteren wurden Stickstoff dotierte Kohlenstoffnanoschichten (NDCN) für die kathodische Sauerstoffreduktion (ORR) hergestellt. Eine maßgeschnittene Mesoporosität verbunden mit Heteroatom Doping (Stickstoff) fördert die Exposition der aktiven Zentren und die ORR-Leistung der metallfreien Katalysatoren. Hochwertiges elektrochemisch exfoliiertes Graphen (EEG) ist ein vielversprechender Kandidat für die Darstellung von GHEM. Allerdings ist die kontrollierte Darstellung von EEG-Hybriden weiterhin eine große Herausforderung. Zu guter Letzt wird eine Bottom-up-Strategie für die Darstellung von EEG Schichten mit einer Reihe von funktionellen Nanopartikeln (Si, Fe3O4 und Pt NPs) vorgestellt. Diese Arbeit zeigt einen vielversprechenden Weg für die wirtschaftliche Synthese von EEG und EEG-basierten Materialien.

Hybrid electrode materials (HEM) hold the key to fundamental advances in energy storage and conversion systems including lithium-ion batteries (LiBs), supercapacitors (SCs) and fuel cells (FCs). The fascinating properties make graphene good building blocks for the construction of HEM. However, the traditional method for preparing graphene-based HEM (GHEM) frequently fails in controlling the morphology and uniformity, thus leading to limited interfacial interactions and poor device performance. This thesis focuses on the fabrication of GHEM via controllable assembly manners and addresses the utilization of well-defined GHEM in energy storage and conversion. Large volume expansion constitutes the major drawback of the prospective lithium storage materials. First, a three-dimensional graphene foam hybrid is built up to strengthen the structural integrity and electrochemical performance of Fe3O4 anode material. Integration of graphene shells and graphene networks realizes double protection against the volume swing of Fe3O4 during the electrochemical process. The performance of SCs and FCs depends on the pore structure and accessible surface area/catalytic sites of the electrode materials. We prove that porosity regulation over graphene-based carbon nanosheets (HPCN) increases the accessible surface area and ion transport/charge storage for SCs application. Further, nitrogen doped carbon nanosheets (NDCN) are fabricated for the cathodic oxygen reduction reaction (ORR). A tailorable mesoporosity associated with heteroatom (nitrogen) doping promotes the exposure of active sites and boost the ORR performance of the metal-free catalysts. High-quality electrochemically exfoliated graphene (EEG) is a promising candidate for the construction of GHEM. However, controllable assembly of EEG hybrids has remained a major challenge. Finally, a bottom-up strategy is proposed towards the assembly of EEG sheets with a series of functional nanoparticles (Si, Fe3O4 and Pt NPs). This study enables assembly of EEG using an economical pathway and suggests the future promise of development of EEG-based materials.