碳基纳米复合材料的合成及其电化学电容性能研究

发布时间：2017-10-19 08:27

  本文关键词：碳基纳米复合材料的合成及其电化学电容性能研究

  更多相关文章： 卷曲的石墨烯片 石墨烯 碳纳米管 二氯化锰 超级电容器

【摘要】：碳基材料作为电化学电容器电极材料近年来被广泛研究,其中包括多壁碳纳米管和石墨烯。利用改进的Hummers法可将石墨氧化进而制备氧化石墨烯也可利用该方法将碳纳米管纵向剖开得到类石墨烯纳米片的结构。由于得到的氧化石墨烯和卷曲的石墨烯纳米片比较容易团聚,可将其与过渡金属氧化物、导电聚合物或一些其他的碳基纳米材料复合,得到三维的纳米复合材料以提高电极材料的超电容性能。近年来很多研究表明,氮掺杂对碳基纳米材料的电化学电容性能的提高有很好的促进作用。本论文的主要研究内容为氧化石墨烯和类石墨烯片与二氧化锰复合材料的合成及复合材料掺氮改性之后性能的研究。所取得的主要研究结果如下：(1)用多壁碳纳米管和高锰酸钾为原料,采用改进的Hummers法和水溶液合成法制备卷曲的石墨烯片／二氧化锰(CGN/MnO_2)复合材料。形貌和结构表征表明直径为5 nm、长度为100 nm的针状MnO_2晶体均匀地分散在CGN表面形成三维的纳米CGN/MnO_2复合物。电化学结果表明CGN/MnO_2复合电极在1 M硫酸钠溶液中、1A g~(-1)的电流密度下比电容值为224 F g~(-1),比CGN的比电容值大2.7倍之多(83 F g~(-1))。且CGN/MnO_2具有很好的大电流充放电性能和长时间循环稳定性能(电容在10000循环后保持最初电容的95%)。(2)以三聚氰胺为氮源并利用高温煅烧法对卷曲的石墨烯纳米片/Mn02复合材料进行掺氮处理得到N掺杂的CGN/MnO_2复合材料,用SEM. XRD和拉曼光谱进行形貌和结构表征。利用循环伏安法和恒电流充放电法对得到的复合材料的电化学性能进行测试,结果表明,N-doped 10% CGN/MnO_2在1 M Na2SO_4中电流密度为1 A g~(-1)时电容值高达264 F g~(-1)。而N-doped 20% CGN/MnO_2的电容值为132F g~(-1),但经10,000循环后比电容值仍达到235.7 F g~(-1),为初始电容值的1.8倍。(3)将氧化石墨烯常温下与二氧化锰复合得到氧化石墨烯/Mn02复合材料,并以三聚氰胺为氮源对GO/MnO_2进行高温煅烧得到N掺杂的GO/MnO_2复合材料。采用SEM、HRTEM、XPS、拉曼等技术对其进行形貌结构和组成表征并利用循环伏安法和恒电流充放电法进行电化学性能表征。在两电极体系、1 A g~(-1)电流密度下N-doped GO/MnO_2的比电容值可达到360 F g~(-1)。
【关键词】：卷曲的石墨烯片 石墨烯 碳纳米管 二氯化锰 超级电容器
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB332;TM53
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 超级电容器概述10-12
• 1.1.1 超级电容器分类及工作原理10-11
• 1.1.2 超级电容器电极材料的分类11-12
• 1.2 基于石墨烯的超级电容器简介12-15
• 1.2.1 石墨烯的结构特点和性能12-13
• 1.2.2 石墨烯的制备方法13-14
• 1.2.3 石墨烯在超级电容器中的应用14-15
• 1.3 基于碳纳米管的超级电容器简介15-17
• 1.3.1 碳纳米管的简介和性能15-16
• 1.3.2 碳纳米管在超级电容器中的应用16-17
• 1.4 杂原子掺杂方法在超级电容器中的应用17-19
• 1.4.1 杂原子掺杂简介17
• 1.4.2 氮掺杂在石墨烯基材料中的应用17-19
• 1.5 卷曲的石墨烯纳米片简介19
• 1.6 本论文的选题背景和研究内容19-21
• 第2章 纳米针状二氧化锰改性的卷曲的石墨烯片及其电化学电容性能的研究21-34
• 2.1 前言21-22
• 2.2 实验部分22-24
• 2.2.1 实验药品22
• 2.2.2 实验仪器22-23
• 2.2.3 实验所需溶液23
• 2.2.4 样品和电极的制备23-24
• 2.2.5 形貌结构表征和电容性能测试24
• 2.3 结果和讨论24-33
• 2.3.1 材料形貌及结构分析24-27
• 2.3.2 电化学电容性能测试27-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第3章 氮掺杂的石墨烯纳米片/MnO_2复合物的合成及其电化学电容性能研究34-47
• 3.1 前言34
• 3.2 实验部分34-37
• 3.2.1 实验药品34-35
• 3.2.2 实验仪器35
• 3.2.3 实验所需溶液35-36
• 3.2.4 样品和电极的制备36-37
• 3.2.5 材料的形貌、结构表征及其电容性能测试37
• 3.3 结果和讨论37-45
• 3.3.1 材料形貌及结构分析37-40
• 3.3.2 电化学电容性能测试40-45
• 3.4 本章小结45-47
• 第4章 氮掺杂的石墨烯/MnO_2复合物的合成及其电化学电容性能研究47-58
• 4.1 前言47-48
• 4.2 实验部分48-50
• 4.2.1 实验药品48
• 4.2.2 实验仪器48-49
• 4.2.3 实验所需溶液49
• 4.2.4 样品和电极制备49-50
• 4.2.5 材料的形貌结构表征和电容性能测试50
• 4.3 结果和讨论50-57
• 4.3.1 材料形貌及结构分析50-54
• 4.3.2 电化学电容性能测试54-57
• 4.4 本章小结57-58
• 结论58-60
• 参考文献60-69
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录69-70
• 致谢70

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本文编号：1060079